Efterhånden som AI-kapløbet intensiveres, fortsætter strømforbruget for high-GPU-chips med at stige dramatisk. NVIDIAs H100 enkelt-korts strømforbrug når 700 W, den nye Blackwell-serie skubber det til 1000-1400 W, og den seneste Vera Rubin-arkitektur GPU har et maksimalt strømforbrug på over 2300 W. Sådanne ekstreme strømniveauer er blevet en kerneflaskehals for næste generations AI-udvikling.
I øjeblikket er væskekøling og nedsænkningskøling almindeligt anvendt i industrien til termisk styring på serverniveau. Disse tilgange kan dog ikke løse det grundlæggende problem med lokaliseret varmeakkumulering tæt på chip. Vedvarende hot spots fører til frekvensregulering og forringelse af ydeevnen, hvilket i høj grad begrænser kapaciteten af high-end AI-chips. Diamantbaseret varmeafledningsteknologi er dukket op som en effektiv vej til at overvinde denne udfordring.
En almindelig misforståelse på markedet er, at diamantens primære fordel blot er dens høje varmeledningsevne. I virkeligheden ligger diamantens kernekonkurrenceevne i dens dobbelte kapacitet: ultrahøj termisk ledningsevne kombineret med fremragende termisk ekspansion, der matcher spånmaterialer-en kombination, som traditionelle materialer som kobber, sølv og siliciumcarbid ikke uden videre kan opnå.
Nøgledata viser, at CVD-enkrystaldiamant har en termisk ledningsevne, der overstiger 2000 W/(m·K), og isotopisk rensede versioner overstiger 3000 W/(m·K)-omkring fem gange så høj som konventionelt kobber. Endnu mere kritisk tilbyder diamant enestående termisk kompatibilitet: dens termiske ekspansionskoefficient (CTE) er kun 1,0-1,1 ppm/K, tæt matchende siliciums 2,6 ppm/K, hvilket resulterer i en termisk mismatch på kun 1,5 ppm/K. I modsætning hertil har kobber, der almindeligvis anvendes i industrien, en CTE på 16,5-17 ppm/K, hvilket giver et misforhold til silicium på omkring 14 ppm/K-en størrelsesorden højere end diamants.
Nuværende AI-chips anvender generelt 2,5D- og 3D-stablingsprocesser, som koncentrerer varmekilder tæt mellem lagene og forværrer den termiske krydstale. Kobberbaserede strukturer, med deres store termiske misforhold, gennemgår kontinuerlig ekspansion og sammentrækning under gentagne temperaturcyklusser, hvilket let forårsager træthed i loddeforbindelser og revner i grænsefladen,-der kompromitterer chippålideligheden og levetiden væsentligt. Diamond, takket være dens meget lave termiske mismatch, reducerer fundamentalt termisk stress ved chip-grænseflader og undgår risici for pakkefejl, hvilket gør den godt på linje med tendenserne inden for high-end AI-chipudvikling.
Polykrystallinsk diamant opnår en termisk ledningsevne på 1000-2200 W/(m·K) med samme CTE som en-krystal diamant, og den kan produceres i store størrelser til lavere omkostninger, hvilket gør den velegnet til storskala implementering som køleplader i AI-servere. Diamant-kobber-kompositter tilbyder termisk ledningsevne på 500-650 W/(m·K), med justerbar CTE og god bearbejdelighed-et omkostningseffektivt kompromis, der løser det traditionelle dilemma med "høj termisk ledningsevne, men dårlig chipkompatibilitet."
På trods af disse enestående materielle fordele står industriel adoption stadig over for to centrale tekniske udfordringer.
For det første grænseflade termisk modstand. Der er en udbredt misforståelse, at ethvert materiale, der involverer diamant, automatisk leverer fem gange bedre køling end kobber. I virkeligheden kan dårlige bindingsprocesser skabe meget høj termisk modstand mod grænseflader, hvilket negerer diamantens iboende overlegne ledningsevne og alvorligt underminerer varmeafledningsevnen. For det andet ultrapræcisionsbearbejdning og grænsefladekompoundering. Diamonds ekstreme hårdhed nødvendiggør specialiseret udstyr og processer til alle præcisionstrin, hvilket hæver forarbejdningsbarrieren. Desuden kræver den svage grænsefladebinding mellem diamant og kobber grænseflademodifikationsteknikker såsom titanium- eller wolframbelægning for at opnå stabil sammensætning og sikre langsigtet pålidelig drift.
Det nuværende AI-chips strømforbrug vokser med en hastighed, der "tredobles på tre år", og den udbredte anvendelse af 3D-stabling har gjort mellemlags varmeakkumulering og lokaliserede hot spots stadig mere fremtrædende. Disse hot spots er den primære årsag til ydeevneforringelse og tvungen frekvensreduktion. Det er vigtigt at præcisere, at diamantvarmespredning og væskekøling ikke er erstatninger, men komplementære løsninger: Diamant tjener til at udjævne ekstreme lokale varmefluxer og eliminere hot-spot-akkumulering-ved at adressere varmekoncentrationen nær krydset-mens væskekøling fjerner den ensartet spredte varme fra systemet og afslutter varmeafvisningen.
Den indenlandske diamantvarmeafledningsindustrikæde viser et styrkemønster i opstrøms råmaterialer, men relativ svaghed i nedstrøms kerneprocesser. I opstrøms vækst af syntetiske diamanter er Kinas tekniske kapacitet til polykrystallinsk diamant på stort område på niveau med, eller i nogle målinger endda foran, udenlandske modparter. Der er dog stadig huller i downstream-nøgleteknologier såsom loddefri direkte binding på waferniveau og præcis proceskontrol med lav termisk modstand.
Med hensyn til omkostninger er MPCVD-udstyrets høje elforbrug det primære omkostningstryk for masseproduktion. For at imødegå dette opbygger førende indenlandske virksomheder som SF Diamond, Huanghe Whirlwind og Huifeng Diamond strategisk produktionskapacitet i regioner med lave elpriser, såsom Xinjiang og Indre Mongoliet, ved at udnytte billig strøm, storkammerproduktionsudstyr og proprietær procesudvikling for løbende at reducere produktionsomkostningerne.
I betragtning af tendensen med stadigt stigende strømforbrug i AI-chips, har traditionelle kobberbaserede varmeafledningsmaterialer nået deres fysiske ydeevnegrænser og kan næppe opfylde kravene til næste generations high-end-chips. Diamond skiller sig ud som en effektiv termisk styringsløsning til avancerede AI-chips med sin unikke kombination af ultrahøj termisk ledningsevne og lavt termisk misforhold.