Halsen av AI-datakraft blir kvalt avmaterialer.
Intel-sjef Lip-Bu Tan har kalt diamant, silisiumkarbid (SiC), indiumfosfid (InP), galliumnitrid (GaN) og glasssubstrater som fem nøkkelmaterialer som er avgjørende for å bryte flaskehalsen. I mellomtiden har bransjeinnsidere rett og slett advart: "Utilstrekkelig InP-laserproduksjonskapasitet er kjernestoppen for co-pakket optikk (CPO)."
Dette betyr at uansett hvor kraftige Nvidias GB200/300-brikker er, uten støtte fra avanserte materialer, kan data rett og slett ikke flyte med høy hastighet.
Dette er ikke bare et kapasitetsspørsmål – det er en utfordring som presser grensene for materialvitenskap. Fra SiC/GaN-strømforsyning og glass-substratemballasje (som fremhevet av Tan), til litiumniobat og SOI for optiske sammenkoblingsløsninger, og diamant- og keramiske substrater for varmeavledning under ekstreme strømbelastninger,materialerhar blitt den usynlige slagmarken i andre halvdel av AI. Den som slår gjennom først vil ha nøkkelen til datadominans.
Diamant
Etter hvert som AI-datakraften akselererer med en rasende hastighet, blir varmespredningen i avanserte-brikker stadig mer alvorlig. Nvidias Rubin Ultra, for eksempel, forventes å overstige 2300W per brikke, med lokale varmeflukstettheter som overgår 1000 W/cm² – et nesten ufattelig varmenivå. Tradisjonelle varmespredere av kobber og aluminium når sine fysiske grenser. Diamond, med sin ultra-høye termiske ledningsevne, har dukket opp som en ledende kandidat blant nye halvledermaterialer.
Vidt kjent for sin ekstreme hardhet – det hardeste naturlig forekommende stoffet, med en Mohs-hardhet på 10 – er diamant også en av naturens beste termiske ledere, med en varmeledningsevne på opptil 2200 W/(m·K), 5,5 ganger så stor som kobber og 11 ganger aluminium. Det er også en elektrisk isolator, og dens termiske ekspansjonskoeffisient samsvarer nøye med silisium, SiC og GaN. Bransjeobservatører har lagt merke til: når enkelt-brikkeeffekt overstiger 1400 W, er ikke diamant lenger et "alternativ" – det blir en "nødvendighet".
Nvidias neste-generasjons Vera Rubin-arkitektur-GPU-er har fullt ut tatt i bruk en «diamant-kobber-komposittmateriale + 45 graders direkte-kontakt væskekjøling»-løsning, og industrien har til og med markert 2026 som det «første året med stor-diamantvarmespredning i stor skala».
Silisiumkarbid (SiC)
Kraften til AI-datasenterstativ stiger fra titalls kilowatt til hundrevis av kilowatt, med megawatt-skala-rack i horisonten. Når strøm- og spenningsnivåene øker, lider tradisjonell silisium-basert kraftkonvertering av svimlende tap. Dessuten krever AI materialer som sprer varme raskt, bruker mindre strøm, opptar minimal plass og tåler høye temperaturer.
SiC tilbyr høy nedbrytningsspenning, stabil ytelse ved høye temperaturer og koblingstap langt lavere enn silisium. Dens kompakte enhetsfotavtrykk og utmerkede pålitelighet gjør den til det ideelle valget for 800V høy- DC (HVDC)-arkitekturer – som oppnår effektiviteter over 97 % i høyspenningsinngangsretting og effektfaktorkorreksjon (PFC), og reduserer overføringstap med over 30 % i HVDC-systemer. Nye datasentre bygget av Nvidia, Microsoft og andre teknologigiganter har allerede tatt i bruk SiC-baserte kraftarkitekturer som standard. Innenlandske kinesiske produsenter som TankeBlue Semiconductor akselererer 8-tommers substrat og epitaksial masseproduksjon for å redusere waferkostnadene.
Galliumnitrid (GaN)
GaN og SiC danner en klar "høy-spenning vs. lav-spenning"-divisjon: SiC forblir i serverrommet, mens GaN beveger seg inn i rackene.
GaN har høy elektronmobilitet og eksepsjonell effekttetthet, og utmerker seg ved høy-frekvens, lav-spenning og høy-tetthet. I GPU-strømmoduler, høyfrekvente DC-DC-omformere og serverstrømforsyninger – der plass og responshastighet er kritisk – kan GaN krympe strømforsyningsstørrelsen samtidig som den øker strømtettheten. Samsungs 8--tommers GaN-prosess har allerede oppnådd en kostnadsreduksjon på 30 % og akselererer tilpasningen for storskala datasenterdistribusjon.
indiumfosfid (InP)
Indiumfosfid er uerstattelig – det er det eneste masseproduksjonssubstratet- for laser- og fotodetektorbrikker, og passer perfekt til 1310nm og 1550nm lav-tapsvinduer for fiberoptisk-kommunikasjon. I CPO-domenet integrerer bransjens mainstream-tilnærming optiske motorer og elektriske brikker på samme underlag, og de høyhastighets-lysemitterende enhetene i kjernen av CPO stoler 100 % på InP-lasere.
For å gå tilbake til den industrilederens advarsel: bak disse ordene ligger et sterkt sett med tall. I 2025 er den globale etterspørselen etter InP-substrat estimert til 2,0–2,1 millioner stykker, mens det effektive tilbudet bare er 600 000–700 000 stykker – et tilbuds-etterspørselsgap som overstiger 70 %, som forventes å vedvare til 2030. Goldman Sachs har utstedt et enda mer direkte tilbud om tilbud: 0. og kan bare begynne å balansere i andre halvdel av 2028 ettersom kapasitetsutvidelser i forsyningskjeden kommer online."
Tynn-Film Lithium Niobate (TFLN)
Ved å utnytte den sterke lineære elektro-optiske effekten (Pockels-effekten) av litiumniobat, muliggjør tynn-filmlitiumniobat høy-båndbredde, høy-linearitet (høy-fidelitet) optisk signalmodulasjon ved lave drivspenninger. Dette gjør den godt-egnet for middels- til lang-, optiske overføringsapplikasjoner med høy-båndbredde, for eksempel ryggradsnettverk og metronettverk. I tillegg tillater dens høye brytningsindekskontrast og utmerkede optiske inneslutning høyere integrasjon, og forbedrer enhetsstørrelse og strømforbruk.
I optiske modulatorer tilbyr tynn-filmlitiumniobat en elektro-optisk koeffisient som er tre ganger så stor som InP og over hundre ganger så stor som for silisiumfotonik. Med bare 1,8V kan den oppnå ultra-høy-modulasjon utover 100GHz, og redusere strømforbruket med 30–50 %, mens en enkelt kanal enkelt kan kjøre på 400G.
Når AI-datakraften eksploderer, kjører optiske sammenkoblinger av datasenter fra 400G til 800G, 1.6T og 3.2T. Ytelsesbegrensningene til tradisjonelle materialer blir stadig tydeligere, og tynn-filmlitiumniobat er klar til å bli et kritisk materiale for neste-generasjons høyhastighets-optisk overføringsmodulasjon. For øyeblikket har bare fire selskaper over hele verden mestret masse-produksjonsevner for 8-tommers høye-wafere, med et gap mellom tilbud og etterspørsel på over 70 %.
SOI (silisium-på-isolator)
Hvis silisium er "kjøttet" av en brikke, er SOI "skjelettet" til silisiumfotonikk. Denne "toppbegravde silisiumoksyd-substrat"-sandwichstrukturen, ved å sette inn et silisiumdioksydisolasjonslag under silisiumlaget, eliminerer krysstalen mellom elektroner og fotoner fullstendig. Den reduserer parasittisk kapasitans med over 60 %, slik at elektriske signaler kan kjøre raskere og mer effektivt. Enda viktigere, den store brytningsindeksforskjellen mellom toppsilisiumet og oksidlaget danner naturlig "veggene" til en optisk bølgeleder, noe som gjør at optiske signaler kan bøye seg og overføres med minimalt tap på brikken.
I AI-tiden er SOI det uerstattelige kjernesubstratet for produksjon av optiske moduler, CPO-motorer og kvantebrikker. Den globale produksjonskapasiteten er sterkt konsentrert til franske Soitec, noe som gjør lokalisering til en presserende prioritet.
Glassunderlag
Ettersom GPU-er, HBM og brikkestabling driver innpakning mot store formfaktorer, høy tetthet og høyhastighetsforbindelser, møter tradisjonelle organiske substrater og silisiuminnleggere i økende grad begrensninger i størrelse, kostnader og ytelse.
Glasssubstrater, gjennom glassvias (TGV) for vertikal elektrisk sammenkobling, fyller nøyaktig markedsgapet mellom organiske substrater og silisium-interposers. De tilbyr en justerbar termisk ekspansjonskoeffisient (tilpasset silisiumbrikker), ekstremt lavt dielektrisk tap og ultra-høy overflateflathet. Intel-tester har vist at de kan redusere mønsterforvrengning med 50 % og øke sammenkoblingstettheten med opptil 10 ganger.
Globale halvlederledere akselererer investeringene sine raskt – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group og LG Group har alle entret arenaen og startet et kommersielt kappløp rundt glasssubstrater.
Keramiske underlag
I integrert emballasje med høy-tetthet genererer høy-enheter som opererer samtidig enorme mengder konsentrert varme, og emballasjesubstratet er den primære-varmeavledende komponenten. Ettersom AI-brikkeeffekten krysser terskelen på 2000 W, står tradisjonelle FR-4 organiske substrater, med deres dårlige termiske ledningsevne (bare 0,3 W/(m·K)) og termisk ekspansjonsmismatch, overfor alvorlige farer for forvrengning og delaminering. Keramiske underlag, med sine iboende fordeler med høy termisk ledningsevne, høy elektrisk isolasjon og utmerket termisk tilpasning, har blitt en nødvendighet for scenarier med høy effekt.
Blant dem er aluminiumnitrid (AlN), med en termisk ledningsevne på 170–220 W/(m·K), det beste valget for varmeavledning i 800G/1,6T høyhastighets optiske moduler-. Silisiumnitrid (Si₃N₄), med sin utmerkede bøyestyrke og termiske støtmotstand, fungerer som innpakningsgrunnlaget for SiC/GaN høyspenningsmoduler.