Etter hvert som AI-kappløpet intensiveres, fortsetter strømforbruket til avanserte{0} GPU-brikker å øke dramatisk. NVIDIAs H100 enkeltkort-trekk når 700 W, den nye Blackwell-serien skyver det til 1000–1400 W, og den nyeste Vera Rubin-arkitektur-GPUen har et maksimalt strømforbruk på over 2300 W. Slike ekstreme strømnivåer har blitt en kjerneflaskehals for neste generasjons AI-utvikling.
For tiden er væskekjøling og nedsenkingskjøling mye brukt i industrien for termisk styring på servernivå. Disse tilnærmingene kan imidlertid ikke løse det grunnleggende problemet med nær-chip lokalisert varmeakkumulering. Vedvarende hot spots fører til frekvensregulering og forringelse av ytelsen, noe som i stor grad begrenser kapasiteten til avanserte AI-brikker. Diamantbasert varmeavledningsteknologi har dukket opp som en effektiv vei for å overvinne denne utfordringen.
En vanlig misforståelse i markedet er at diamantens primære fordel bare er dens høye varmeledningsevne. I virkeligheten ligger diamantens kjernekonkurranseevne i dens doble kapasitet: ultrahøy termisk ledningsevne kombinert med utmerket termisk ekspansjon som matcher chipmaterialer-en kombinasjon som tradisjonelle materialer som kobber, sølv og silisiumkarbid ikke uten videre kan oppnå.
Nøkkeldata viser at CVD-enkrystalldiamant har en termisk ledningsevne som overstiger 2000 W/(m·K), og isotopisk rensede versjoner overstiger 3000 W/(m·K)-omtrent fem ganger høyere enn konvensjonelt kobber. Enda mer kritisk, diamant tilbyr enestående termisk kompatibilitet: dens termiske ekspansjonskoeffisient (CTE) er bare 1,0–1,1 ppm/K, tett samsvarende med silisiums 2,6 ppm/K, noe som resulterer i en termisk mismatch på bare 1,5 ppm/K. I motsetning til dette har kobber, som vanligvis brukes i industrien, en CTE på 16,5–17 ppm/K, noe som gir et misforhold til silisium på omtrent 14 ppm/K-en størrelsesorden høyere enn diamantens.
Nåværende AI-brikker bruker generelt 2,5D- og 3D-stablingsprosesser, som konsentrerer varmekilder tett mellom lagene og forverrer termisk krysstale. Kobberbaserte strukturer, med deres store termiske misforhold, gjennomgår kontinuerlig ekspansjon og sammentrekning under gjentatte temperatursvingninger, noe som lett forårsaker utmatting av loddeledd og sprekker i grensesnittet-som betydelig kompromitterer påliteligheten og levetiden til brikkene. Diamond, takket være dets svært lave termiske misforhold, reduserer termisk stress ved brikkegrensesnitt fundamentalt og unngår risiko for pakkefeil, noe som gjør den godt på linje med trendene innen avansert AI-brikkeutvikling.
Polykrystallinsk diamant oppnår termisk ledningsevne på 1000–2200 W/(m·K) med samme CTE som enkeltkrystalldiamant, og den kan produseres i store størrelser til lavere pris, noe som gjør den egnet for storskala distribusjon som kjøleribber i AI-servere. Diamant-kobber-kompositter tilbyr termisk ledningsevne på 500–650 W/(m·K), med justerbar CTE og god bearbeidbarhet-et kostnadseffektivt kompromiss som løser det tradisjonelle dilemmaet med "høy termisk ledningsevne, men dårlig chipkompatibilitet."
Til tross for disse enestående materielle fordelene, står industriell adopsjon fortsatt overfor to kjernetekniske utfordringer.
Først, grensesnitt termisk motstand. Det er en utbredt misforståelse at ethvert materiale som involverer diamant automatisk gir fem ganger bedre kjøling enn kobber. I virkeligheten kan dårlige bindingsprosesser skape svært høy termisk motstand mot grensesnitt, noe som negerer diamantens iboende overlegne ledningsevne og alvorlig undergraver varmeavledningsytelsen. For det andre ultrapresisjonsmaskinering og grensesnittblanding. Diamonds ekstreme hardhet krever spesialisert utstyr og prosesser for alle presisjonstrinn, noe som hever prosesseringsbarrieren. Dessuten krever den svake grensesnittbindingen mellom diamant og kobber grensesnittmodifikasjonsteknikker som titan- eller wolframbelegg for å oppnå stabil blanding og sikre langsiktig pålitelig drift.
Nåværende strømforbruk for AI-brikke vokser med en hastighet på "tredobling på tre år", og den utbredte bruken av 3D-stabling har gjort varmeakkumulering mellom lag og lokaliserte hot spots stadig mer fremtredende. Disse hot spots er den primære årsaken til ytelsesforringelse og tvungen frekvensreduksjon. Det er viktig å klargjøre at diamantvarmespredning og væskekjøling ikke er erstatninger, men komplementære løsninger: diamant tjener til å flate ut ekstreme lokale varmeflukser og eliminere hot-spot-akkumulering-ved å adressere varmekonsentrasjonen nær krysset-mens væskekjøling fjerner den jevnt spredte varmen fra systemet, og fullfører varmeavvisningen.
Den innenlandske diamantvarmespredningsindustrikjeden viser et styrkemønster i oppstrøms råvarer, men relativ svakhet i nedstrøms kjerneprosesser. I oppstrømsvekst av syntetiske diamanter er Kinas tekniske evner for polykrystallinske diamanter med store arealer på nivå med, eller i noen beregninger til og med foran, utenlandske motparter. Det er imidlertid fortsatt hull i nedstrøms nøkkelteknologier som loddefri direkte binding på wafer-nivå og presis prosesskontroll med lav termisk motstand.
Når det gjelder kostnader, er det høye strømforbruket til MPCVD-utstyr det primære kostnadstrykket for masseproduksjon. For å møte dette bygger ledende innenlandske selskaper som SF Diamond, Huanghe Whirlwind og Huifeng Diamond strategisk produksjonskapasitet i regioner med lave strømpriser, som Xinjiang og Indre Mongolia, og utnytter billig kraft, produksjonsutstyr for store kammer og proprietær prosessutvikling for å kontinuerlig redusere produksjonskostnadene.
Totalt sett, gitt trenden med stadig økende strømforbruk i AI-brikker, har tradisjonelle kobberbaserte varmespredningsmaterialer nådd sine fysiske ytelsesgrenser og kan knapt møte kravene til neste generasjons high-end-brikker. Diamond, med sin unike kombinasjon av ultrahøy termisk ledningsevne og lav termisk misforhold, skiller seg ut som en effektiv termisk styringsløsning for avanserte AI-brikker.