Ako sa preteky v oblasti AI zintenzívňujú, spotreba energie špičkových{0}}čipov GPU naďalej dramaticky rastie. Príkon jednej karty NVIDIA H100- dosahuje 700 W, nová séria Blackwell to posúva na 1 000 – 1 400 W a najnovší GPU s architektúrou Vera Rubin má špičkovú spotrebu energie presahujúcu 2 300 W. Takéto extrémne úrovne výkonu sa stali kľúčovou prekážkou pre vývoj čipov AI ďalšej generácie.
V súčasnosti sa v priemysle bežne používa kvapalinové chladenie a ponorné chladenie pre správu teploty na úrovni servera. Tieto prístupy však nedokážu vyriešiť základný problém lokalizovanej akumulácie tepla v blízkosti čipu. Pretrvávajúce horúce miesta vedú k obmedzeniu frekvencie a zníženiu výkonu, čo výrazne obmedzuje možnosti špičkových čipov AI. Diamantová technológia rozptylu tepla sa ukázala ako účinný spôsob, ako prekonať túto výzvu.
Bežná mylná predstava na trhu je, že hlavnou výhodou diamantu je iba jeho vysoká tepelná vodivosť. V skutočnosti spočíva hlavná konkurencieschopnosť diamantu v jeho dvojitej schopnosti: ultra vysoká tepelná vodivosť v kombinácii s vynikajúcou tepelnou rozťažnosťou zodpovedajúcou materiálom čipu-, čo je kombinácia, ktorú tradičné materiály ako meď, striebro a karbid kremíka nedokážu ľahko dosiahnuť.
Kľúčové údaje ukazujú, že CVD monokryštálový diamant má tepelnú vodivosť presahujúcu 2 000 W/(m·K) a izotopovo čistené verzie presahujú 3 000 W/(m·K)-, čo je približne päťnásobok konvenčnej medi. Čo je ešte kritickejšie, diamant ponúka vynikajúcu tepelnú kompatibilitu: jeho koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) je len 1,0 – 1,1 ppm/K, čo je veľmi podobné kremíku 2,6 ppm/K, výsledkom čoho je teplotný nesúlad len 1,5 ppm/K. Naproti tomu meď, bežne používaná v priemysle, má CTE 16,5 – 17 ppm/K, čo dáva nesúlad s kremíkom asi 14 ppm/K- rádovo vyšší ako diamant.
Súčasné AI čipy vo všeobecnosti využívajú 2,5D a 3D stohovacie procesy, ktoré koncentrujú zdroje tepla husto medzi vrstvami a zhoršujú tepelné presluchy. Štruktúry na báze medi s veľkým tepelným nesúladom podliehajú nepretržitej expanzii a kontrakcii pri opakovaných teplotných cykloch, čo ľahko spôsobuje únavu spájkovaného spoja a praskanie na rozhraní-významne ohrozuje spoľahlivosť a životnosť čipu. Diamond vďaka svojmu veľmi nízkemu tepelnému nesúladu zásadne znižuje tepelné namáhanie na rozhraniach čipov a predchádza rizikám zlyhania balenia, vďaka čomu je dobre v súlade s trendmi vývoja špičkových AI čipov.
Polykryštalický diamant dosahuje tepelnú vodivosť 1 000 – 2 200 W/(m·K) s rovnakým CTE ako monokryštálový diamant a dá sa vyrábať vo veľkých rozmeroch pri nižších nákladoch, vďaka čomu je vhodný na rozsiahle nasadenie ako chladiče v serveroch AI. Kompozity diamant-meď ponúkajú tepelnú vodivosť 500 – 650 W/(m·K), s laditeľným CTE a dobrou opracovateľnosťou-, čo je nákladovo efektívny kompromis, ktorý rieši tradičnú dilemu „vysoká tepelná vodivosť, ale slabá kompatibilita čipov“.
Napriek týmto výnimočným materiálnym výhodám priemyselná adaptácia stále čelí dvom hlavným technickým výzvam.
Po prvé, tepelný odpor rozhrania. Existuje rozšírená mylná predstava, že akýkoľvek materiál obsahujúci diamant automaticky poskytuje päťkrát lepšie chladenie ako meď. V skutočnosti môžu zlé procesy spájania vytvoriť veľmi vysoký tepelný odpor na rozhraní, čím sa poruší vlastná vynikajúca vodivosť diamantu a výrazne sa zníži výkon rozptylu tepla. Po druhé, ultra presné obrábanie a medzifázové zlučovanie. Extrémna tvrdosť diamantu si vyžaduje špeciálne vybavenie a procesy pre všetky presné kroky, čím sa zvyšuje bariéra spracovania. Okrem toho, slabá medzifázová väzba medzi diamantom a meďou vyžaduje techniky modifikácie rozhrania, ako je titánový alebo volfrámový povlak, aby sa dosiahlo stabilné zloženie a zabezpečila sa dlhodobá spoľahlivá prevádzka.
Súčasná spotreba energie čipu AI rastie rýchlosťou „trojnásobku za tri roky“ a rozšírené prijatie 3D stohovania spôsobilo, že akumulácia tepla medzi vrstvami a lokalizované horúce miesta sú čoraz výraznejšie. Tieto horúce miesta sú hlavnou príčinou zníženia výkonu a núteného zníženia frekvencie. Je dôležité objasniť, že diamantové šírenie tepla a kvapalinové chladenie nie sú náhrady, ale doplnkové riešenia: diamant slúži na vyrovnanie extrémnych lokálnych tepelných tokov a elimináciu akumulácie horúcich miest-rieši koncentráciu tepla v blízkosti križovatky-, zatiaľ čo kvapalinové chladenie odstraňuje rovnomerne rozložené teplo zo systému, čím sa dokončuje odvod tepla na vzdialenom konci.
Domáci priemyselný reťazec odvodu tepla z diamantov vykazuje vzor sily v surovinách na začiatku výroby, ale relatívnej slabosti v základných procesoch po prúde. Pokiaľ ide o rast syntetických diamantov, technické možnosti Číny pre veľkoplošné polykryštalické diamanty sú na rovnakej úrovni alebo v niektorých metrikách dokonca predstihujú zahraničných partnerov. Stále však existujú medzery v nadväzujúcich kľúčových technológiách, ako je priame bezspájkovanie na úrovni plátkov a presné riadenie procesu s nízkym tepelným odporom.
Z hľadiska nákladov je vysoká spotreba elektrickej energie zariadení MPCVD primárnym nákladovým tlakom pre hromadnú výrobu. Aby to vyriešili, popredné domáce spoločnosti ako SF Diamond, Huanghe Whirlwind a Huifeng Diamond strategicky budujú výrobné kapacity v regiónoch s nízkymi cenami elektriny, ako sú Sin-ťiang a Vnútorné Mongolsko, využívajúc lacnú energiu, veľkokomorové výrobné zariadenia a vývoj vlastných procesov na neustále znižovanie výrobných nákladov.
Celkovo, vzhľadom na trend neustále sa zvyšujúcej spotreby energie v čipoch AI, tradičné materiály na odvádzanie tepla na báze medi dosiahli svoje limity fyzického výkonu a len ťažko môžu spĺňať požiadavky špičkových čipov novej generácie. Diamond so svojou jedinečnou kombináciou ultra vysokej tepelnej vodivosti a nízkej tepelnej nerovnováhy vyniká ako efektívne riešenie správy teploty pre pokročilé čipy AI.