De keel van AI-computerkracht wordt verstiktmaterialen.
Intel CEO Lip-Bu Tan heeft diamant, siliciumcarbide (SiC), indiumfosfide (InP), galliumnitride (GaN) en glassubstraten genoemd als vijf belangrijke materialen die cruciaal zijn om het knelpunt te doorbreken. Intussen hebben insiders uit de industrie botweg gewaarschuwd: "Onvoldoende InP-laserproductiecapaciteit is het kernprobleem voor co-verpakte optica (CPO)."
Dit betekent dat, hoe krachtig de GB200/300-chips van Nvidia ook zijn, gegevens zonder de ondersteuning van geavanceerde materialen eenvoudigweg niet op hoge snelheid kunnen stromen.
Dit is niet alleen een capaciteitsprobleem – het is een uitdaging die de grenzen van de materiaalkunde verlegt. Van SiC/GaN-stroomvoorziening en glas-substraatverpakking (zoals benadrukt door Tan), tot lithiumniobaat en SOI voor optische verbindingsoplossingen, en diamant- en keramische substraten voor warmteafvoer onder extreme stroombelastingen,materialenzijn het onzichtbare slagveld geworden in de tweede helft van AI. Degene die als eerste doorbreekt, heeft de sleutel tot computerdominantie in handen.
Diamant
Terwijl de rekenkracht van AI razendsnel toeneemt, wordt de warmteafvoer in high{0}}chips steeds ernstiger. Nvidia's Rubin Ultra zal naar verwachting bijvoorbeeld de 2.300 W per chip overschrijden, waarbij de lokale warmtefluxdichtheid de 1.000 W/cm² overtreft – een bijna onvoorstelbaar warmteniveau. Traditionele warmteverspreiders van koper en aluminium lopen tegen hun fysieke grenzen aan. Diamant, met zijn ultra-hoge thermische geleidbaarheid, is naar voren gekomen als een leidende kandidaat onder de nieuwe halfgeleidermaterialen.
Diamant staat algemeen bekend om zijn extreme hardheid – de hardste natuurlijk voorkomende stof, met een Mohs-hardheid van 10 – en is ook een van de beste thermische geleiders van de natuur, met een thermische geleidbaarheid tot 2.200 W/(m·K), 5,5 keer die van koper en 11 keer die van aluminium. Het is ook een elektrische isolator en de thermische uitzettingscoëfficiënt komt nauw overeen met die van silicium, SiC en GaN. Waarnemers uit de sector hebben opgemerkt: wanneer het vermogen van een enkele-chip de 1400 W overschrijdt, is diamant niet langer een 'optie' – het wordt een 'noodzaak'.
Nvidia's volgende-generatie GPU's met Vera Rubin-architectuur hebben volledig gebruik gemaakt van een oplossing voor 'diamant-kopercomposietmateriaal + 45 graden directe-contactvloeistofkoeling', en de industrie heeft 2026 zelfs gemarkeerd als het 'eerste jaar van- grootschalige adoptie van diamantwarmtedissipatie.'
Siliciumcarbide (SiC)
Het rackvermogen van AI-datacenters stijgt van tientallen kilowatt naar honderden kilowatt, met racks op megawatt-schaal in het verschiet. Naarmate de stroom- en spanningsniveaus stijgen, lijdt de traditionele op silicium-gebaseerde stroomconversie onder duizelingwekkende verliezen. Bovendien vereist AI materialen die warmte snel afvoeren, minder stroom verbruiken, minimale ruimte innemen en bestand zijn tegen hoge temperaturen.
SiC biedt een hoge doorslagspanning, stabiele prestaties bij hoge temperaturen en schakelverliezen die veel lager zijn dan die van silicium. Dankzij het compacte apparaatoppervlak en de uitstekende betrouwbaarheid is het de ideale keuze voor 800 V hoog-DC-architecturen (HVDC), waarbij efficiënties van meer dan 97% worden bereikt in hoog-ingangsrectificatie- en powerfactorcorrectie (PFC)-fasen, en transmissieverliezen met meer dan 30% worden verminderd in 800V HVDC-systemen. Nieuwe datacenters gebouwd door Nvidia, Microsoft en andere technologiegiganten maken al standaard gebruik van op SiC-gebaseerde stroomarchitecturen. Binnenlandse Chinese fabrikanten zoals TankeBlue Semiconductor versnellen de massaproductie van 8-inch substraat en epitaxiale om de waferkosten te verlagen.
Galliumnitride (GaN)
GaN en SiC vormen een duidelijke scheiding tussen hoge-spanning en lage-spanning: SiC blijft in de serverruimte, terwijl GaN naar de racks beweegt.
GaN beschikt over een hoge elektronenmobiliteit en een uitzonderlijke vermogensdichtheid, en blinkt uit in hoge- frequentie, lage- spanning en hoge- stroomconversie. In GPU-voedingsmodules, hoog{4}}DC-DC-converters en servervoedingen (waar ruimte en reactiesnelheid van cruciaal belang zijn) kan GaN de omvang van de voeding verkleinen en tegelijkertijd de vermogensdichtheid vergroten. Het 8-GaN-proces van Samsung heeft al een kostenbesparing van 30% gerealiseerd en versnelt de aanpassing ervan voor grootschalige implementatie in datacenters.
Indiumfosfide (InP)
Indiumfosfide is onvervangbaar: het is het enige substraatmateriaal voor massaproductie- voor laser- en fotodetectorchips, dat perfect past bij de 1310 nm en 1550 nm verliesarme- vensters van glasvezel- glasvezelcommunicatie. In het CPO-domein integreert de gangbare aanpak van de industrie optische motoren en elektrische chips op hetzelfde substraat, en de hoge-lichtsnelheid-apparaten die de kern van CPO vormen, zijn voor 100% afhankelijk van InP-lasers.
Terugkomend op de waarschuwing van de leidinggevende uit de sector: achter deze woorden schuilt een grimmige reeks cijfers. In 2025 wordt de mondiale vraag naar InP-substraten geschat op 2,0 à 2,1 miljoen stuks, terwijl het effectieve aanbod slechts 600.000 à 700.000 stuks bedraagt – een aanbodkloof van meer dan 70%, die naar verwachting tot 2030 zal blijven bestaan. Goldman Sachs heeft een zelfs nog directere voorspelling gedaan: "Het aanbod van lichtbronnen zal tot 2027 krap blijven en zal wellicht pas in de tweede helft van 2027 in evenwicht komen." 2028 als uitbreidingen van de supply chain-capaciteit online komen."
Dunne-film lithiumniobaat (TFLN)
Door gebruik te maken van het sterke lineaire elektro-optische effect (Pockels-effect) van lithiumniobaat, maakt dunne-filmlithiumniobaat een hoge-bandbreedte, hoge-lineariteit (high-fidelity) optische signaalmodulatie mogelijk bij lage stuurspanningen. Dit maakt hem zeer-geschikt voor optische transmissietoepassingen met een middellange- tot lange- afstand en hoge- bandbreedte, zoals backbone-netwerken en metronetwerken. Bovendien zorgen het hoge brekingsindexcontrast en de uitstekende optische opsluiting voor een hogere integratie, waardoor de apparaatgrootte en het stroomverbruik worden verbeterd.
In optische modulatoren biedt dunne{0}}filmlithiumniobaat een elektro-optische coëfficiënt die drie keer zo groot is als die van InP en ruim honderd keer die van siliciumfotonica. Met slechts 1,8 V kan hij ultra-hoge- snelheidsmodulatie bereiken voorbij 100 GHz, waardoor het energieverbruik met 30-50% wordt verlaagd, terwijl een enkel kanaal gemakkelijk op 400 G kan werken.
Terwijl de rekenkracht van AI explodeert, racen de optische verbindingen in datacenters van 400G naar 800G, 1,6T en 3,2T. De prestatiebeperkingen van traditionele materialen worden steeds duidelijker, en dunne-filmlithiumniobaat staat op het punt een cruciaal materiaal te worden voor de volgende-generatie hoge- optische transmissiemodulatie. Momenteel beheersen slechts vier bedrijven wereldwijd de massaproductiecapaciteiten voor 8-inch high-wafers, met een kloof tussen vraag en aanbod van meer dan 70%.
SOI (silicium-op-isolator)
Als silicium het ‘vlees’ van een chip is, is SOI het ‘skelet’ van siliciumfotonica. Deze "bovenste silicium-begraven oxide-substraat" sandwichstructuur elimineert, door een isolerende siliciumdioxidelaag onder de siliciumlaag te plaatsen, de overspraak tussen elektronen en fotonen volledig. Het vermindert de parasitaire capaciteit met meer dan 60%, waardoor elektrische signalen sneller en efficiënter kunnen werken. Belangrijker nog is dat het grote verschil in brekingsindex tussen het bovenste silicium en de oxidelaag op natuurlijke wijze de "wanden" van een optische golfgeleider vormt, waardoor optische signalen kunnen buigen en verzenden met minimaal verlies op de chip.
In het AI-tijdperk is SOI het onvervangbare kernsubstraat voor de productie van optische modules, CPO-engines en kwantumchips. De mondiale productiecapaciteit is sterk geconcentreerd bij het Franse Soitec, waardoor binnenlandse lokalisatie een urgente prioriteit is.
Glazen substraten
Nu GPU's, HBM en chiplet-stacking de verpakking in de richting van grote vormfactoren, verbindingen met hoge dichtheid en hoge-snelheid sturen, worden traditionele organische substraten en silicium-interposers steeds vaker geconfronteerd met beperkingen in omvang, kosten en prestaties.
Glassubstraten vullen, via glazen via's (TGV) voor verticale elektrische interconnectie, precies de marktkloof tussen organische substraten en siliciuminterposers. Ze bieden een instelbare thermische uitzettingscoëfficiënt (afgestemd op siliciumchips), extreem laag diëlektrisch verlies en ultra-hoge vlakheid van het oppervlak. Intel-tests hebben aangetoond dat ze patroonvervorming met 50% kunnen verminderen en de verbindingsdichtheid tot tien keer kunnen verhogen.
De mondiale leiders op het gebied van halfgeleiders versnellen hun investeringen snel: Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group en LG Group zijn allemaal in de arena beland en hebben een commerciële race rond glassubstraten op gang gebracht.
Keramische substraten
In geïntegreerde verpakkingen met hoge{0}}dichtheid genereren krachtige- apparaten die tegelijkertijd werken enorme hoeveelheden geconcentreerde warmte, en het verpakkingssubstraat is de primaire warmte-dissiperende component. Naarmate het vermogen van de AI-chip de drempel van 2000 W overschrijdt, lopen traditionele FR{9}}4 organische substraten, met hun slechte thermische geleidbaarheid (slechts 0,3 W/(m·K)) en hun mismatch in thermische uitzetting, ernstige risico's op kromtrekken en delaminatie. Keramische substraten, met hun inherente voordelen van hoge thermische geleidbaarheid, hoge elektrische isolatie en uitstekende thermische aanpassing, zijn een noodzaak geworden voor scenario's met hoog vermogen.
Onder hen is aluminiumnitride (AlN), met een thermische geleidbaarheid van 170–220 W/(m·K), de beste keuze voor warmteafvoer in 800G/1,6T optische hoge--modules. Siliciumnitride (Si₃N₄), met zijn uitstekende buigsterkte en thermische schokbestendigheid, dient als verpakkingsbasis voor SiC/GaN hoog-hoogspanningsvoedingsmodules.