एआई कंप्यूटिंग शक्ति का गला घोंटा जा रहा हैसामग्री.
इंटेल के सीईओ लिप-बू टैन ने हीरा, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), इंडियम फॉस्फाइड (InP), गैलियम नाइट्राइड (GaN), और ग्लास सब्सट्रेट्स को पांच प्रमुख सामग्रियों के रूप में नामित किया है जो बाधा को तोड़ने के लिए महत्वपूर्ण हैं। इस बीच, उद्योग के अंदरूनी सूत्रों ने स्पष्ट रूप से चेतावनी दी है: "अपर्याप्त InP लेजर उत्पादन क्षमता सह-पैकेज्ड ऑप्टिक्स (CPO) के लिए मुख्य चोक पॉइंट है।"
इसका मतलब यह है कि Nvidia के GB200/300 चिप्स चाहे कितने भी शक्तिशाली क्यों न हों, उन्नत सामग्रियों के समर्थन के बिना, डेटा उच्च गति से प्रवाहित नहीं हो सकता है।
यह केवल क्षमता का मुद्दा नहीं है - यह सामग्री विज्ञान की सीमाओं को आगे बढ़ाने वाली एक चुनौती है। SiC/GaN पावर डिलीवरी और ग्लास से लेकर सब्सट्रेट पैकेजिंग (जैसा कि टैन द्वारा हाइलाइट किया गया है), ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट समाधान के लिए लिथियम नाइओबेट और SOI तक, और अत्यधिक बिजली भार के तहत गर्मी अपव्यय के लिए हीरे और सिरेमिक सब्सट्रेट तक,सामग्रीएआई के दूसरे भाग में अदृश्य युद्ध का मैदान बन गए हैं। जो कोई भी पहले टूटेगा, उसके पास प्रभुत्व की गणना करने की कुंजी होगी।
डायमंड
जैसे-जैसे एआई कंप्यूटिंग शक्ति ख़तरनाक गति से बढ़ती जा रही है, हाई-एंड चिप्स में गर्मी अपव्यय तेजी से गंभीर होता जा रहा है। उदाहरण के लिए, एनवीडिया के रुबिन अल्ट्रा की प्रति चिप 2,300W से अधिक होने की उम्मीद है, स्थानीय ताप प्रवाह घनत्व 1,000 W/cm² से अधिक है - जो ऊष्मा का लगभग अकल्पनीय स्तर है। पारंपरिक तांबे और एल्युमीनियम ताप फैलाने वाले यंत्र अपनी भौतिक सीमाओं को पार कर रहे हैं। हीरा, अपनी अति उच्च तापीय चालकता के साथ, नई अर्धचालक सामग्रियों के बीच एक अग्रणी उम्मीदवार के रूप में उभरा है।
अपनी अत्यधिक कठोरता के लिए व्यापक रूप से जाना जाता है - प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला सबसे कठोर पदार्थ, 10 की मोह कठोरता के साथ - हीरा प्रकृति के सबसे अच्छे तापीय चालकों में से एक है, जिसकी तापीय चालकता 2,200 W/(m·K), तांबे की 5.5 गुना और एल्यूमीनियम की 11 गुना है। यह एक विद्युत इन्सुलेटर भी है, और इसका थर्मल विस्तार गुणांक सिलिकॉन, SiC और GaN से काफी मेल खाता है। उद्योग पर्यवेक्षकों ने नोट किया है: जब एकल चिप की शक्ति 1,400W से अधिक हो जाती है, तो हीरा एक "विकल्प" नहीं रह जाता है - यह एक "आवश्यकता" बन जाता है।
एनवीडिया की अगली पीढ़ी के वेरा रूबिन आर्किटेक्चर जीपीयू ने पूरी तरह से "डायमंड-कॉपर मिश्रित सामग्री + 45 डिग्री प्रत्यक्ष - संपर्क तरल शीतलन" समाधान को अपनाया है, और उद्योग ने 2026 को "बड़े पैमाने पर हीरे की गर्मी लंपटता को अपनाने का पहला वर्ष" के रूप में भी चिह्नित किया है।
सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)
एआई डेटा सेंटर रैक की शक्ति दसियों किलोवाट से सैकड़ों किलोवाट तक बढ़ रही है, जिसमें मेगावॉट स्केल रैक क्षितिज पर हैं। जैसे-जैसे करंट और वोल्टेज का स्तर बढ़ता है, पारंपरिक सिलिकॉन आधारित बिजली रूपांतरण में भारी नुकसान होता है। इसके अलावा, एआई ऐसी सामग्रियों की मांग करता है जो गर्मी को तेजी से नष्ट कर दें, कम बिजली की खपत करें, न्यूनतम जगह घेरें और उच्च तापमान का सामना करें।
SiC उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, उच्च तापमान पर स्थिर प्रदर्शन और सिलिकॉन की तुलना में बहुत कम स्विचिंग नुकसान प्रदान करता है। इसका कॉम्पैक्ट डिवाइस पदचिह्न और उत्कृष्ट विश्वसनीयता इसे 800V उच्च वोल्टेज डीसी (एचवीडीसी) आर्किटेक्चर के लिए आदर्श विकल्प बनाती है - उच्च वोल्टेज इनपुट सुधार और पावर फैक्टर सुधार (पीएफसी) चरणों में 97% से ऊपर दक्षता प्राप्त करना, और 800V एचवीडीसी सिस्टम में ट्रांसमिशन हानि को 30% से अधिक कम करना। एनवीडिया, माइक्रोसॉफ्ट और अन्य तकनीकी दिग्गजों द्वारा निर्मित नए डेटा केंद्रों ने पहले ही मानक के रूप में SiC-आधारित पावर आर्किटेक्चर को अपना लिया है। टैंकब्लू सेमीकंडक्टर जैसे घरेलू चीनी निर्माता वेफर लागत को कम करने के लिए 8-इंच सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल बड़े पैमाने पर उत्पादन में तेजी ला रहे हैं।
गैलियम नाइट्राइड (GaN)
GaN और SiC एक स्पष्ट "उच्च {{0} वोल्टेज बनाम कम {{2} वोल्टेज" विभाजन बनाते हैं: SiC सर्वर रूम में रहता है, जबकि GaN रैक में चला जाता है।
GaN में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और असाधारण बिजली घनत्व है, जो उच्च {{0}आवृत्ति, कम {{1}वोल्टेज, उच्च {{2}घनत्व बिजली रूपांतरण में उत्कृष्ट है। जीपीयू पावर मॉड्यूल में, उच्च आवृत्ति डीसी - डीसी कन्वर्टर्स, और सर्वर बिजली आपूर्ति - जहां स्थान और प्रतिक्रिया गति महत्वपूर्ण है - GaN बिजली घनत्व को बढ़ाते हुए बिजली आपूर्ति के आकार को छोटा कर सकता है। सैमसंग की 8-इंच GaN प्रक्रिया ने पहले ही लागत में 30% की कटौती हासिल कर ली है और बड़े पैमाने पर डेटा सेंटर परिनियोजन के लिए इसके अनुकूलन में तेजी ला रही है।
इंडियम फ़ॉस्फाइड (InP)
इंडियम फॉस्फाइड अपूरणीय है - यह लेजर और फोटोडिटेक्टर चिप्स के लिए एकमात्र द्रव्यमान {{0}उत्पादन सब्सट्रेट सामग्री है, जो 1310 एनएम और 1550 एनएम कम {{3} फाइबर की हानि विंडो {{4}ऑप्टिक संचार से पूरी तरह मेल खाता है। सीपीओ डोमेन में, उद्योग का मुख्यधारा दृष्टिकोण एक ही सब्सट्रेट पर ऑप्टिकल इंजन और इलेक्ट्रिकल चिप्स को एकीकृत करता है, और सीपीओ के मूल में उच्च गति प्रकाश उत्सर्जित करने वाले उपकरण 100% InP लेजर पर निर्भर करते हैं।
उस उद्योग कार्यकारी की चेतावनी पर लौटते हुए: उन शब्दों के पीछे संख्याओं का एक बड़ा सेट छिपा है। 2025 में, वैश्विक InP सब्सट्रेट मांग 2.0-2.1 मिलियन टुकड़ों का अनुमान है, जबकि प्रभावी आपूर्ति केवल 600,000-700,000 टुकड़े है - आपूर्ति {8}मांग का अंतर 70% से अधिक है, जो 2030 तक जारी रहने की उम्मीद है। गोल्डमैन सैक्स ने और भी अधिक प्रत्यक्ष पूर्वानुमान जारी किया है: "प्रकाश स्रोत आपूर्ति 2027 तक तंग रहेगी, और केवल दूसरी छमाही में संतुलन बनाना शुरू कर सकती है 2028 में आपूर्ति शृंखला क्षमता का विस्तार ऑनलाइन हो जाएगा।"
पतली-फिल्म लिथियम नाइओबेट (टीएफएलएन)
लिथियम नाइओबेट के मजबूत रैखिक इलेक्ट्रो {{0}ऑप्टिक प्रभाव (पॉकेल्स प्रभाव) का लाभ उठाते हुए, पतली {{1}फिल्म लिथियम नाइओबेट कम ड्राइविंग वोल्टेज पर उच्च {{2}बैंडविड्थ, उच्च {3} रैखिकता (उच्च {{4}निष्ठा) ऑप्टिकल सिग्नल मॉड्यूलेशन को सक्षम बनाता है। यह इसे मध्यम से लेकर लंबी दूरी, उच्च बैंडविड्थ ऑप्टिकल ट्रांसमिशन जैसे बैकबोन नेटवर्क और मेट्रो नेटवर्क के लिए उपयुक्त बनाता है। इसके अलावा, इसका उच्च अपवर्तक सूचकांक कंट्रास्ट और उत्कृष्ट ऑप्टिकल कारावास उच्च एकीकरण, डिवाइस के आकार और बिजली की खपत में सुधार की अनुमति देता है।
ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर में, पतली {{0}फिल्म लिथियम नाइओबेट एक इलेक्ट्रो -}ऑप्टिक गुणांक प्रदान करता है जो InP का तीन गुना और सिलिकॉन फोटोनिक्स का सौ गुना से अधिक है। केवल 1.8V के साथ, यह 100GHz से अधिक अल्ट्रा{4}हाई{5}स्पीड मॉड्यूलेशन प्राप्त कर सकता है, जिससे बिजली की खपत 30-50% तक कम हो जाती है, जबकि एक चैनल आसानी से 400G पर चल सकता है।
जैसे ही AI कंप्यूटिंग शक्ति में विस्फोट होता है, डेटा सेंटर ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट 400G से 800G, 1.6T और 3.2T तक दौड़ रहे हैं। पारंपरिक सामग्रियों की प्रदर्शन सीमाएँ तेजी से स्पष्ट होती जा रही हैं, और पतली {5}फिल्म लिथियम नाइओबेट अगली पीढ़ी के उच्च गति ऑप्टिकल ट्रांसमिशन मॉड्यूलेशन के लिए एक महत्वपूर्ण सामग्री बनने की ओर अग्रसर है। वर्तमान में, दुनिया भर में केवल चार कंपनियों ने 8-इंच ऊंचे{{12}अंत वेफर्स के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन क्षमताओं में महारत हासिल की है, जिसमें आपूर्ति-मांग का अंतर 70% से अधिक है।
एसओआई (सिलिकॉन-ऑन-इंसुलेटर)
यदि सिलिकॉन किसी चिप का "मांस" है, तो SOI सिलिकॉन फोटोनिक्स का "कंकाल" है। यह "शीर्ष सिलिकॉन-दफन ऑक्साइड-सब्सट्रेट" सैंडविच संरचना, सिलिकॉन परत के नीचे एक सिलिकॉन डाइऑक्साइड इन्सुलेटिंग परत डालकर, इलेक्ट्रॉनों और फोटॉनों के बीच क्रॉसस्टॉक को पूरी तरह से समाप्त कर देती है। यह परजीवी क्षमता को 60% से अधिक कम कर देता है, जिससे विद्युत सिग्नल तेजी से और अधिक कुशलता से चलने लगते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि शीर्ष सिलिकॉन और ऑक्साइड परत के बीच बड़ा अपवर्तक सूचकांक अंतर स्वाभाविक रूप से ऑप्टिकल वेवगाइड की "दीवारें" बनाता है, जो ऑप्टिकल सिग्नल को चिप पर न्यूनतम नुकसान के साथ मोड़ने और संचारित करने में सक्षम बनाता है।
एआई युग में, एसओआई ऑप्टिकल मॉड्यूल, सीपीओ इंजन और क्वांटम चिप्स के निर्माण के लिए अपूरणीय कोर सब्सट्रेट है। वैश्विक उत्पादन क्षमता फ़्रांस के सोइटेक में अत्यधिक केंद्रित है, जिससे घरेलू स्थानीयकरण एक तत्काल प्राथमिकता बन गई है।
ग्लास सबस्ट्रेट्स
जैसे-जैसे जीपीयू, एचबीएम, और चिपलेट स्टैकिंग पैकेजिंग को बड़े फॉर्म कारकों, उच्च घनत्व और उच्च गति इंटरकनेक्ट की ओर ले जाते हैं, पारंपरिक कार्बनिक सब्सट्रेट और सिलिकॉन इंटरपोजर तेजी से आकार, लागत और प्रदर्शन में सीमाओं का सामना कर रहे हैं।
ऊर्ध्वाधर विद्युत इंटरकनेक्शन के लिए ग्लास विअस (टीजीवी) के माध्यम से ग्लास सब्सट्रेट, कार्बनिक सब्सट्रेट और सिलिकॉन इंटरपोज़र्स के बीच बाजार अंतर को सटीक रूप से भरते हैं। वे थर्मल विस्तार का एक ट्यून करने योग्य गुणांक (सिलिकॉन चिप्स से मेल खाता हुआ), बेहद कम ढांकता हुआ नुकसान, और अल्ट्रा - उच्च सतह समतलता प्रदान करते हैं। इंटेल परीक्षणों से पता चला है कि वे पैटर्न विरूपण को 50% तक कम कर सकते हैं और इंटरकनेक्ट घनत्व को 10 गुना तक बढ़ा सकते हैं।
वैश्विक सेमीकंडक्टर नेता तेजी से अपने निवेश में तेजी ला रहे हैं - इंटेल, टीएसएमसी, सैमसंग इलेक्ट्रो-मैकेनिक्स, एसके ग्रुप और एलजी ग्रुप सभी ने ग्लास सबस्ट्रेट्स के आसपास एक व्यावसायिक दौड़ शुरू करते हुए इस क्षेत्र में प्रवेश किया है।
सिरेमिक सबस्ट्रेट्स
उच्च{{0}घनत्व वाली एकीकृत पैकेजिंग में, एक साथ काम करने वाले उच्च-शक्ति वाले उपकरण भारी मात्रा में संकेंद्रित ऊष्मा उत्पन्न करते हैं, और पैकेजिंग सब्सट्रेट प्राथमिक ऊष्मा नष्ट करने वाला घटक होता है। जैसे ही AI चिप की शक्ति 2,000W की सीमा को पार करती है, पारंपरिक FR -4 कार्बनिक सब्सट्रेट्स, उनकी खराब तापीय चालकता (केवल 0.3 W/(m·K)) और थर्मल विस्तार बेमेल के साथ, गंभीर वॉरपेज और प्रदूषण जोखिम का सामना करते हैं। उच्च तापीय चालकता, उच्च विद्युत इन्सुलेशन और उत्कृष्ट तापीय मिलान के अपने अंतर्निहित लाभों के साथ सिरेमिक सब्सट्रेट, उच्च-शक्ति परिदृश्यों के लिए एक आवश्यकता बन गए हैं।
उनमें से, 170-220 W/(m·K) की तापीय चालकता के साथ एल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN), 800G/1.6T उच्च गति ऑप्टिकल मॉड्यूल में गर्मी अपव्यय के लिए शीर्ष विकल्प है। सिलिकॉन नाइट्राइड (Si₃N₄), अपनी उत्कृष्ट लचीली ताकत और थर्मल शॉक प्रतिरोध के साथ, SiC/GaN उच्च -वोल्टेज पावर मॉड्यूल के लिए पैकेजिंग फाउंडेशन के रूप में कार्य करता है।