Naarmate de AI-race heviger wordt, blijft het stroomverbruik van hoogwaardige GPU-chips dramatisch stijgen. Het stroomverbruik van NVIDIA's H100--kaart bereikt 700 W, de nieuwe Blackwell-serie duwt dat naar 1000-1400 W, en de nieuwste GPU met Vera Rubin-architectuur heeft een piekstroomverbruik van meer dan 2300 W. Dergelijke extreme energieniveaus zijn een kernknelpunt geworden voor de ontwikkeling van AI-chips van de volgende generatie.
Momenteel worden vloeistofkoeling en immersiekoeling algemeen toegepast in de industrie voor thermisch beheer op serverniveau. Deze benaderingen kunnen het fundamentele probleem van gelokaliseerde warmteaccumulatie nabij de chip echter niet oplossen. Aanhoudende hotspots leiden tot frequentiebeperking en prestatievermindering, waardoor de mogelijkheden van geavanceerde AI-chips ernstig worden beperkt. Op diamant gebaseerde warmteafvoertechnologie is een effectief middel gebleken om deze uitdaging te overwinnen.
Een veel voorkomende misvatting op de markt is dat het voornaamste voordeel van diamant louter de hoge thermische geleidbaarheid is. In werkelijkheid ligt de kern van het concurrentievermogen van diamant in zijn dubbele capaciteit: ultrahoge thermische geleidbaarheid gecombineerd met uitstekende thermische uitzetting die past bij chipmaterialen-een combinatie die traditionele materialen zoals koper, zilver en siliciumcarbide niet gemakkelijk kunnen bereiken.
Belangrijke gegevens tonen aan dat CVD-eenkristaldiamant een thermische geleidbaarheid heeft van meer dan 2000 W/(m·K), en isotopisch gezuiverde versies overschrijden 3000 W/(m·K)-ongeveer vijf maal die van conventioneel koper. Nog belangrijker is dat diamant uitstekende thermische compatibiliteit biedt: de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) bedraagt slechts 1,0–1,1 ppm/K, wat nauw aansluit bij de 2,6 ppm/K van silicium, wat resulteert in een thermische mismatch van slechts 1,5 ppm/K. Koper, dat doorgaans in de industrie wordt gebruikt, heeft daarentegen een CTE van 16,5–17 ppm/K, wat een mismatch met silicium oplevert van ongeveer 14 ppm/K-een orde van grootte hoger dan die van diamant.
De huidige AI-chips maken over het algemeen gebruik van 2,5D- en 3D-stapelprocessen, waarbij warmtebronnen dicht tussen de lagen worden geconcentreerd en de thermische overspraak wordt verergerd. Op koper gebaseerde structuren, met hun grote thermische mismatch, ondergaan voortdurende uitzetting en samentrekking onder herhaalde temperatuurwisselingen, waardoor soldeerverbindingsmoeheid en grensvlakscheuren gemakkelijk worden veroorzaakt-waardoor de betrouwbaarheid en levensduur van de chip aanzienlijk in gevaar worden gebracht. Dankzij de zeer lage thermische mismatch vermindert Diamond de thermische spanning op chipinterfaces fundamenteel en vermijdt het risico op verpakkingsfouten, waardoor het goed aansluit bij de trends van de high-end AI-chipevolutie.
Polykristallijne diamant bereikt een thermische geleidbaarheid van 1000–2200 W/(m·K) met dezelfde CTE als monokristallijne diamant, en kan in grote maten tegen lagere kosten worden geproduceerd, waardoor het geschikt is voor grootschalige inzet als koellichamen in AI-servers. Diamant-kopercomposieten bieden een thermische geleidbaarheid van 500–650 W/(m·K), met instelbare CTE en goede bewerkbaarheid-een kosteneffectief compromis dat het traditionele dilemma van "hoge thermische geleidbaarheid maar slechte chipcompatibiliteit" oplost.
Ondanks deze opmerkelijke materiële voordelen wordt de industriële adoptie nog steeds geconfronteerd met twee belangrijke technische uitdagingen.
Ten eerste de thermische weerstand aan het grensvlak. Er bestaat een wijdverbreide misvatting dat elk materiaal waarin diamant is verwerkt automatisch een vijf keer betere koeling oplevert dan koper. In werkelijkheid kunnen slechte hechtingsprocessen een zeer hoge thermische weerstand aan het grensvlak creëren, waardoor de inherente superieure geleidbaarheid van diamant teniet wordt gedaan en de warmteafvoerprestaties ernstig worden ondermijnd. Ten tweede: ultraprecieze bewerking en grensvlakcompounding. De extreme hardheid van Diamond vereist gespecialiseerde apparatuur en processen voor alle precisiestappen, waardoor de verwerkingsbarrière hoger wordt. Bovendien vereist de zwakke grensvlakbinding tussen diamant en koper technieken voor grensvlakmodificatie, zoals titanium- of wolfraamcoating, om een stabiele samenstelling te bereiken en een betrouwbare werking op lange termijn te garanderen.
Het huidige stroomverbruik van AI-chips groeit met een snelheid van “verdrievoudigen in drie jaar”, en de wijdverbreide acceptatie van 3D-stapeling heeft de accumulatie van warmte tussen de lagen en gelokaliseerde hotspots steeds prominenter gemaakt. Deze hotspots zijn de belangrijkste oorzaak van prestatievermindering en gedwongen frequentiereductie. Het is belangrijk om te verduidelijken dat de verspreiding van diamantwarmte en vloeistofkoeling geen vervangers zijn, maar complementaire oplossingen: diamant dient om extreme lokale warmtestromen af te vlakken en accumulatie van hotspots te elimineren-door de warmteconcentratie in de buurt van kruispunten aan te pakken-terwijl vloeistofkoeling de gelijkmatig verspreide warmte uit het systeem verwijdert, waardoor de warmteafvoer aan het verre uiteinde wordt voltooid.
De binnenlandse industriële keten voor warmtedissipatie van diamant vertoont een patroon van kracht in de stroomopwaartse grondstoffen, maar een relatieve zwakte in de stroomafwaartse kernprocessen. Op het gebied van de upstream-groei van synthetische diamant zijn de technische capaciteiten van China op het gebied van polykristallijne diamant met een groot oppervlak vergelijkbaar met, of in sommige maatstaven zelfs beter dan, die van buitenlandse tegenhangers. Er blijven echter nog lacunes bestaan in belangrijke technologieën verderop in de keten, zoals soldeerloze directe binding op waferniveau en nauwkeurige procescontrole met lage thermische weerstand.
In termen van kosten vormt het hoge elektriciteitsverbruik van MPCVD-apparatuur de voornaamste kostendruk voor massaproductie. Om dit aan te pakken bouwen toonaangevende binnenlandse bedrijven zoals SF Diamond, Huanghe Whirlwind en Huifeng Diamond op strategische wijze productiecapaciteit op in regio's met lage elektriciteitsprijzen, zoals Xinjiang en Binnen-Mongolië, waarbij ze gebruik maken van goedkope energie, productieapparatuur met grote kamers en eigen procesontwikkelingen om de productiekosten voortdurend te verlagen.
Over het geheel genomen hebben traditionele, op koper gebaseerde materialen voor warmteafvoer, gezien de trend van steeds toenemend energieverbruik in AI-chips, hun fysieke prestatielimieten bereikt en kunnen ze nauwelijks voldoen aan de eisen van de volgende generatie high-end chips. Diamond onderscheidt zich met zijn unieke combinatie van ultrahoge thermische geleidbaarheid en lage thermische mismatch als een effectieve oplossing voor thermisch beheer voor geavanceerde AI-chips.