Kako se AI utrka intenzivira, potrošnja energije{0}}vrhih GPU čipova nastavlja dramatično rasti. NVIDIA H100 pojedinačna-potrošnja energije dostiže 700 W, nova Blackwell serija to povećava na 1000–1400 W, a najnoviji GPU Vera Rubin arhitekture ima vršnu potrošnju energije koja prelazi 2300 W. Ovakvi ekstremni nivoi snage postali su ključno usko grlo za razvoj AI-a sljedeće generacije.
Trenutno su tečno hlađenje i hlađenje uranjanjem široko prihvaćeni u industriji za upravljanje toplinom na nivou servera. Međutim, ovi pristupi ne mogu riješiti fundamentalno pitanje lokalizirane akumulacije topline u blizini čipa. Stalne vruće tačke dovode do smanjenja frekvencije i degradacije performansi, ozbiljno ograničavajući sposobnost vrhunskih AI čipova. Tehnologija odvođenja toplote zasnovana na dijamantima pojavila se kao efikasan put za prevazilaženje ovog izazova.
Uobičajena zabluda na tržištu je da je primarna prednost dijamanta samo njegova visoka toplotna provodljivost. U stvarnosti, osnovna konkurentnost dijamanta leži u njegovoj dvostrukoj sposobnosti: ultra-visoka toplotna provodljivost u kombinaciji sa odličnim termičkim širenjem koji odgovara materijalima čipova-kombinacija koju tradicionalni materijali kao što su bakar, srebro i silicijum karbid ne mogu lako postići.
Ključni podaci pokazuju da CVD monokristalni dijamant ima toplotnu provodljivost veću od 2000 W/(m·K), a izotopski pročišćene verzije prelaze 3000 W/(m·K)-oko pet puta veću od konvencionalnog bakra. Što je još kritičnije, dijamant nudi izvanrednu termičku kompatibilnost: njegov koeficijent termičke ekspanzije (CTE) je samo 1,0–1,1 ppm/K, što se blisko podudara sa silicijumskim 2,6 ppm/K, što rezultira termičkom neusklađenošću od samo 1,5 ppm/K. Nasuprot tome, bakar, koji se obično koristi u industriji, ima CTE od 16,5–17 ppm/K, što daje neusklađenost sa silicijumom od oko 14 ppm/K- red veličine veći od dijamanta.
Trenutni AI čipovi uglavnom usvajaju 2.5D i 3D procese slaganja, koji koncentrišu izvore toplote gusto između slojeva i pogoršavaju termičke preslušavanje. Strukture na bazi bakra, sa svojom velikom termičkom neusklađenošću, prolaze kroz kontinuirano širenje i kontrakciju pod ponovljenim temperaturnim ciklusom, što lako uzrokuje zamor lemnih spojeva i pucanje na međufaznoj površini-što značajno ugrožava pouzdanost čipa i vijek trajanja. Dijamant, zahvaljujući svojoj vrlo niskoj termalnoj neusklađenosti, u osnovi smanjuje termički stres na sučeljima čipova i izbjegava rizik od kvara pakovanja, čineći ga dobro usklađenim s trendovima evolucije vrhunskih AI čipova.
Polikristalni dijamant postiže toplotnu provodljivost od 1000–2200 W/(m·K) sa istim CTE-om kao i monokristalni dijamant, i može se proizvoditi u velikim veličinama po nižoj ceni, što ga čini pogodnim za primenu velikih razmera kao hladnjaka u AI serverima. Kompoziti dijamant-bakar nude toplotnu provodljivost od 500–650 W/(m·K), sa podesivim CTE i dobrom obradivom-isplativim kompromisom koji rešava tradicionalnu dilemu „visoke toplotne provodljivosti, ali loše kompatibilnosti čipova“.
Uprkos ovim izvanrednim materijalnim prednostima, industrijsko usvajanje i dalje se suočava sa dva ključna tehnička izazova.
Prvo, međufazna termička otpornost. Postoji široko rasprostranjena zabluda da bilo koji materijal koji uključuje dijamant automatski daje pet puta bolje hlađenje od bakra. U stvarnosti, loši procesi vezivanja mogu stvoriti veoma visoku međufaznu toplotnu otpornost, negirajući inherentnu superiornu provodljivost dijamanta i ozbiljno potkopavajući performanse odvođenja toplote. Drugo, ultra-precizna obrada i spajanje međufaza. Ekstremna tvrdoća dijamanta zahtijeva specijaliziranu opremu i procese za sve precizne korake, podižući barijeru obrade. Štaviše, slaba međufazna veza između dijamanta i bakra zahtijeva tehnike modifikacije međufaza kao što su titanijum ili volfram premaz kako bi se postiglo stabilno spajanje i osigurao dugotrajan pouzdan rad.
Trenutna potrošnja energije AI čipa raste po stopi "utrostručavanja za tri godine", a široko rasprostranjeno usvajanje 3D slaganja učinilo je međuslojnu akumulaciju topline i lokalizirane vruće tačke sve istaknutijim. Ove vruće tačke su primarni uzrok degradacije performansi i prisilnog smanjenja frekvencije. Važno je pojasniti da dijamantsko širenje topline i hlađenje tekućinom nisu zamjena, već komplementarna rješenja: dijamant služi za izravnavanje ekstremnih lokalnih toplotnih tokova i eliminisanje akumulacije vrućih tačaka-odgovarajući koncentraciji topline blizu spoja-dok tečno hlađenje uklanja ravnomjerno rasprostranjenu toplinu iz udaljenog sistema.
Domaći industrijski lanac za rasipanje topline dijamanata pokazuje obrazac snage u sirovinama uzvodno, ali relativnu slabost u nizvodnim osnovnim procesima. U uzvodnom rastu sintetičkih dijamanata, kineske tehničke mogućnosti za polikristalni dijamant velike površine su u rangu, ili u nekim metrikama čak i ispred, inozemnih kolega. Međutim, i dalje postoje praznine u ključnim tehnologijama koje se nalaze u nastavku, kao što su direktno spajanje bez lemljenja na nivou pločice i precizna kontrola procesa niske toplinske otpornosti.
Što se tiče troškova, visoka potrošnja električne energije MPCVD opreme je primarni pritisak troškova za masovnu proizvodnju. Kako bi to riješile, vodeće domaće kompanije kao što su SF Diamond, Huanghe Whirlwind i Huifeng Diamond strateški grade proizvodne kapacitete u regijama s niskim cijenama električne energije, kao što su Xinjiang i Unutrašnja Mongolija, koristeći jeftinu snagu, opremu za proizvodnju velikih komora i razvoj vlastitih procesa kako bi kontinuirano smanjili troškove proizvodnje.
Sveukupno, s obzirom na trend sve veće potrošnje energije u AI čipovima, tradicionalni materijali za rasipanje topline na bazi bakra dostigli su granice svojih fizičkih performansi i teško mogu zadovoljiti zahtjeve visokokvalitetnih čipova sljedeće generacije. Dijamant, sa svojom jedinstvenom kombinacijom ultra-visoke toplotne provodljivosti i niske termičke neusklađenosti, ističe se kao efikasno rešenje za upravljanje toplotom za napredne AI čipove.