На протяжении многих лет прогресс в полупроводниковой технологии в значительной степени описывался процессовыми узлами.

10 нм стали 7 нм, затем 5 нм, 3 нм и все более продвинутые архитектуры транзисторов.

Но поскольку ускорители ИИ, высокопроизводительные вычислительные системы и передовые упаковки продолжают масштабироваться, плотность транзисторов больше не является единственным фактором, определяющим производительность системы.

Полупроводниковая промышленность вступает в новый этап, в котором материалы, упаковка, взаимосвязи, подача энергии и тепловое управление становятся такими же важными, как масштабирование транзисторов.

Этот переход увеличивает интерес к широкому спектру полупроводниковых материалов, включая:

• Кремниевые пластинки на изоляторе (SOI)
• Стеклянные подложки
• Карбид кремния (SiC)
• Нитрид галлия (GaN)
• керамика из нитрида алюминия (AlN)
• Керамика из карбида кремния
• Материалы для теплораспределения на основе алмазов
• Композиты алмазо-медные

Эти материалы решают различные инженерные задачи, но они все больше связаны одним общим фактором:

Системы ИИ и HPC требуют большей пропускной способности, более высокой энергоэффективности, более плотной упаковки и лучшей тепловой производительности.

Недостатки полупроводников не ограничиваются транзисторами

Современные процессоры ИИ содержат огромные вычислительные ресурсы.

Однако увеличение вычислительных возможностей также создает несколько новых ограничений.

Два из наиболее важных:

перемещение данных

и

Удаление тепла.

Ускоритель ИИ должен постоянно обмениваться огромным количеством данных с HBM, соседними процессорами, сетевыми интерфейсами и системами хранения.

В то же время эти устройства генерируют все более концентрированное тепло внутри передовых упаковок.

В результате повышения производительности транзисторов уже недостаточно.

Вся полупроводниковая система должна быть оптимизирована.

Это включает:

• оптические соединения
• продвинутые субстраты
• Интеграция HBM
• преобразование мощности
• тепловые интерфейсы
• распределители тепла
• упаковочные материалы

Этот переход на системном уровне создает новые возможности для полупроводниковых материалов, которые ранее занимали относительно специализированные рынки.

1Фотоника СОИ становится все более важной для взаимосвязей ИИ

Кремний на изоляторе - не новый полупроводниковый материал.

SOI-облачки уже давно используются для таких применений, как:

• MEMS
• РЧ-устройства
• датчики
• специальные интегральные схемы

Однако инфраструктура ИИ создает еще одну важную возможность роста:

Кремниевая фотоника.

По мере того, как кластеры ИИ становятся все больше, традиционные электрические взаимосвязи все чаще сталкиваются с проблемами, связанными с:

• потеря передачи
• Потребление энергии
• плотность полосы
• целостность сигнала
• расстояние передачи

Медные соединения по-прежнему необходимы, но оптическая связь становится все более привлекательной по мере увеличения требований к пропускной способности.

Это одна из причин, по которой оптика совместного упаковки, или CPO, получила такое внимание.

Вместо того, чтобы полностью полагаться на электрические соединения между высокопроизводительными процессорами и оптическими модулями, CPO приближает оптические двигатели к коммутационному или вычислительному кремнию.

Цель состоит в том, чтобы сократить длину высокоскоростных электрических соединений и передать больше данных оптически.

SOI является одной из самых важных платформ для фотоники кремния.

Почему SOI хорошо работает для кремниевой фотоники

Типичный фотонический SOI-вофлер содержит:

• тонкий слой кремниевого устройства
• погруженный слой оксида
• кремниевая пластинка с ручкой

Верхний кремниевый слой можно сформировать в оптические волноводы.

Зарытый оксид обеспечивает оптическую изоляцию между кремниевым волноводом и основной кремниевой подложкой.

Общие структуры кремниевой фотоники включают:

• волноводы
• кольцевые резонаторы
• модуляторы
• оптические соединители
• Интерферометры Mach-Zehnder
• фотодетекторные интеграционные платформы

Во многих коммерческих фотонических платформах слой кремниевого устройства толщиной всего несколько сотен нанометров.

Например, приблизительно 220 нм кремния на микрометровом масштабе захороненного оксида широко используется в кремниевой фотонике.

Это означает, что требования к SOI-вафрам для фотоники сильно отличаются от требований к MEMS или обычным RF-приложениям.

Особую важность приобретают однородность толщины, качество поверхности и контроль BOX.

Центры обработки данных искусственного интеллекта могут увеличить спрос на фотоника и ИИ

Важность кремниевой фотоники тесно связана с ростом центров обработки данных ИИ.

Кластеры ИИ требуют чрезвычайно высокой скорости связи:

внутри сервера

между ускорителями

между стойками

и все больше

между большими группами компьютерных систем.

Поскольку электрическая связь приближается к практическим пределам мощности и плотности полосы пропускания, технологии оптических взаимосвязей становятся все более важными.

Это означает, что SOI может служить не только традиционным полупроводниковым устройствам, но и инфраструктуре оптической связи, окружающей процессоры ИИ.

Другими словами:

Бум искусственного интеллекта увеличивает спрос не только на вычислительные пластины, но и на материалы, которые перемещают данные между вычислительными устройствами.

2Стеклянные подложки приближаются к передовой упаковке

Еще одним материалом, на который уделяется все больше внимания, является стекло.

Стекло используется в электронике и полупроводниковом производстве уже много лет.

Приложения включают:

• пластинки-носители
• MEMS
• оптические компоненты
• временное закрепление
• технология отображения

Но передовые упаковки создают новые возможности:

Стеклянные подложки ядра и стеклянные интерпозеры.

Современные пакеты ИИ могут объединять:

• Ускоритель графического процессора или ИИ выходит из строя
• множественные птенцы
• Складки HBM
• вставщики
• субстраты упаковки

По мере увеличения размеров упаковки, размерная стабильность становится все более важной.

Традиционные органические субстраты могут столкнуться с проблемами, включая:

• Военная страница
• тепловое расширение
• мелколинейные рисунки
• Управление размером большой площади

Стекло имеет несколько привлекательных характеристик для этих применений.

Почему стекло интересно для современных упаковок

Стекло может обеспечить:

• Отличная стабильность измерений
• контролируемый коэффициент теплового расширения
• гладкие поверхности
• хорошая электрическая изоляция
• совместимость с обработкой больших панелей
• потенциал для мелкоуровневых структур взаимосвязи

Одной из наиболее важных технологий является:

ТГВ через стекло.

TGV создает электрические соединения через толщину стеклянной подложки.

После формирования отверстия могут быть металлизированы для создания вертикальных электрических соединений.

Это делает стекло потенциально подходящим для:

• стеклянные интерпосаторы
• подложки стеклянного ядра
• Радиочастотные пакеты
• продвинутая интеграция чиплет
• Упаковка ускорителя

Однако для создания стеклянной упаковки требуется нечто большее, чем просто изготовление стеклянной пластины.

Полная производственная цепочка может включать:

изготовление стекла
→ прецизионное утолщение
→ Формирование TGV
→ металлизация
→ слои перераспределения
→ сближение
→ передовые упаковки

Компании, которые могут контролировать всю цепочку процессов, могут получить больше ценности, чем поставщики только сырья стекла.

3HBM превращает тепловое управление в проблему материалов

Память с высокой пропускной способностью стала одной из определяющих технологий аппаратного обеспечения ИИ.

HBM улучшает пропускную способность памяти путем вертикального укладки нескольких DRAM.

Это позволяет перемещать гораздо больше данных между памятью и процессорами, чем с обычными архитектурами памяти.

Но есть неизбежные последствия:

Складывание затрудняет управление тепловой энергией.

Многочисленные кремниевые штампы генерируют тепло внутри компактной вертикальной структуры.

В то же время HBM-стаки обычно размещаются очень близко к высокомощным ускорителям ИИ.

Поэтому усовершенствованный пакет ИИ может содержать несколько основных источников тепла в ограниченной области.

Тепловая производительность становится проблемой проектирования на уровне упаковки.

Усовершенствованные упаковки нуждаются в более эффективных материалах для теплораспределения

Традиционная медь остается чрезвычайно важной из-за ее:

• высокая теплопроводность
• зрелое производство
• низкая относительная стоимость
• хорошая обработка

Однако для будущих мощных комплектов могут потребоваться материалы с дополнительными возможностями.

К потенциальным материалам относятся:

• Керамика AlN
• Керамика SiC
• Ку-Мо
• Cu-W
• СВД алмаз
• Композиты алмазно-медные
• передовые материалы для тепловых интерфейсов

Ключевые параметры материалов все чаще включают:

• теплопроводность
• коэффициент теплового расширения
• сопротивление теплового интерфейса
• плоскость
• механическая жесткость
• надежность при тепловом цикле

Таким образом, проблема с тепловой энергией больше не решается просто установкой более крупного теплоотвода.

Это начинается гораздо ближе к полупроводниковой трубе.

4Почему алмаз возвращается к полупроводниковой термической дискуссии

Алмаз вновь привлекает внимание из-за одного исключительного свойства:

очень высокая теплопроводность.

Высококачественный синтетический алмаз может проводить тепло гораздо эффективнее, чем многие обычные материалы для теплового управления.

Это делает алмаз привлекательным для извлечения концентрированного тепла из высокомощных устройств.

Потенциальные применения включают:

• Ускорители ИИ
• Процессоры высокопроизводительных процессоров
• Устройства GaN RF
• Модули полупроводниковых мощностей
• лазерные системы

Однако чистый алмаз имеет и недостатки.

К ним относятся:

• высокая стоимость
• сложная обработка
• затрудненная металлизация
• сложные связи
• ограниченная экономика большой площади

В результате исследователи и поставщики материалов все чаще изучают гибридные решения.

Один важный пример:

Диамант-медная композиция.

Почему алмазная медь интересна

Диамант-медная композиция сочетает частицы алмаза с медным матрицей.

Цель состоит в одновременном достижении двух свойств:

более высокая теплопроводность

и

меньшее тепловое расширение, чем у обычной меди.

Это привлекательно, потому что упаковка полупроводников часто сталкивается с компромиссом.

Медь хорошо проводит тепло, но имеет относительно высокий коэффициент теплового расширения.

Материалы с низким содержанием CTE, такие как вольфрам и молибден, могут улучшить размерную стабильность, но часто уменьшают теплопроводность при добавлении к меди.

Диамант предлагает другую возможность, потому что он имеет оба:

• чрезвычайно высокая теплопроводность
• очень низкое тепловое расширение

Таким образом, в принципе, композиты алмазного/кумулятора могут улучшить теплопроводность при одновременном снижении CTE.

Интерфейс важнее содержания алмаза

Диамант-медь не является автоматически высокопроизводительным просто потому, что в нем содержится большой процент алмазов.

Самый сложный вопрос - это интерфейс между:

алмаз

и

Медь.

Медь не связывается с алмазом.

Плохой контакт интерфейса может создать значительное тепловое сопротивление.

Это означает, что тепло не может эффективно перемещаться из:

медь → алмаз → медь.

Поэтому производители используют техники интерфейсной инженерии, включающие карбидообразующие элементы, такие как:

• Ти
• КР
• W
• Мо
• Zr

Эти элементы могут улучшить связь алмаза и меди.

Тем не менее, интерфейсный слой также должен быть тщательно контролирован.

Если она становится слишком толстой, сам интерфейс может стать тепловым барьером.

Это иллюстрирует важную тенденцию в передовых полупроводниковых материалах:

Будущая производительность все больше зависит от инженерии интерфейсов, а не только от свойств сыпучего материала.

5Силициллин остается основным материалом для полупроводников.

Несмотря на то, что искусственный интеллект получает огромное внимание, электрификация продолжает стимулировать еще один крупный переход полупроводников:

расширение силовых устройств из карбида кремния.

SiC стал важным для применения, включая:

• электромобили
• Инверторы тяги электромобилей
• быстрая зарядка
• солнечные инверторы
• хранение энергии
• промышленные энергосистемы
• преобразование мощности высокого напряжения

По сравнению с обычными кремниевыми силовыми устройствами, SiC может позволить:

• более высокое рабочее напряжение
• более высокая частота переключения
• более низкие потери при переходе
• работа при более высокой температуре
• меньшие пассивные компоненты

Но по мере того, как промышленность Си-Си-Си созревает, вопрос меняется.

Несколько лет назад обсуждение часто было сосредоточено на:

Может ли SiC заменить кремний в высокомощных приложениях?

Сегодня более практичный вопрос:

Как можно снизить стоимость производства SiC?

Производство силикового цинка становится конкуренцией по доходам и затратам

Субстраты SiC трудно изготавливать.

Проблемы возникают на протяжении всей цепочки обработки:

• рост кристаллов
• нарезка
• шлифование
• лапание
• CMP
• уборка
• Эпитаксии
• проверка пластинки
• изготовление устройств

Си-Си-Си чрезвычайно жесткий и хрупкий.

Это делает резку и полировку пластин медленнее и дороже, чем обычная обработка кремния.

Дефекты подложки также могут влиять на конечную производительность устройства.

По мере того, как SiC движется к производству больших объемов, акцент все больше смещается на:

• более крупные диаметры пластин
• более высокое качество кристаллов
• более низкая плотность дефектов
• уменьшение потерь на ребрах
• быстрее полировать
• улучшенная плоскость пластины
• лучший урожай процесса

Это означает, что возможности существуют не только в самих пластинах SiC, но и во всей цепочке поставок SiC-материалов и оборудования.

6ГаН находит новые возможности в энергетических системах ИИ

Галлиевый нитрид - еще один крупный полупроводник широкой полосы.

GaN особенно привлекателен, когда:

• высокая частота переключения
• высокая эффективность
• компактная конверсия мощности

являются важными.

Центры обработки данных ИИ потребляют огромное количество электроэнергии.

Таким образом, снижение потерь при преобразовании мощности по всей архитектуре сервера и стойки становится все более ценным.

Устройства GaN могут использоваться в высокочастотных приложениях преобразования мощности, включая:

• питание серверов
• Конверторы постоянного тока
• адаптеры питания высокой плотности
• телекоммуникационные энергосистемы

Это создает еще одну важную связь между ИИ и полупроводниковыми материалами.

Спрос на ИИ создает спрос не только на процессоры.

Это также увеличивает спрос на мощную электронику, необходимую для эффективной работы этих процессоров.

SiC и GaN скорее дополняют друг друга, чем конкурируют

SiC и GaN часто представляются как конкурирующие технологии полупроводников.

На практике они часто касаются различных частей рынка силовой электроники.

SiC особенно хорошо работает в:

• приложения для высокого напряжения
• системы высокой мощности
• автомобильная тяга
• Сеть и промышленная энергетика

ГаН очень привлекателен для:

• высокочастотный переключатель
• компактные преобразователи мощности
• приложения для низкого и среднего напряжения
• Электроника для центра обработки данных

Следовательно, на будущем рынке силовых полупроводников, вероятно, будет использоваться:

кремний + SiC + GaN

Вместо того, чтобы выбирать один универсальный материал.

7Полупроводниковая керамика становится все более важной.

Еще одна менее заметная, но все более важная категория - это передовые керамические материалы.

Полупроводниковое оборудование использует высокоточную керамику для таких компонентов, как:

• вафлевые колпачки
• Пластины для обогрева
• изоляционные компоненты
• части плазменной камеры
• носители пластин
• точные ступени
• вакуумные компоненты

К важным материалам относятся:

• Алюминий
• Нитрид алюминия
• Силиконовый карбид
• Нитрид кремния
• Итрий

Каждый материал решает другую инженерную проблему.

Алюминий

Alumina предлагает:

• Отличная электрическая изоляция
• хорошая химическая устойчивость
• высокая твердость
• зрелая переработка
• относительно контролируемые затраты

Он остается одной из наиболее широко используемых технических керамик.

Нитрид алюминия

АЛН особенно привлекателен, когда оба:

электрическая изоляция

и

высокая теплопроводность

требуются.

Это делает его полезным для:

• субстраты полупроводников мощности
• компоненты обогревателей
• структуры теплоуправления
• электронная упаковка

Керамика SiC

Керамика SiC обеспечивает:

• высокая жесткость
• высокая теплопроводность
• низкое тепловое расширение
• Отличная износостойкость
• высокотемпературная устойчивость

Эти характеристики делают его привлекательным для компонентов полупроводникового оборудования, которые должны оставаться размерно стабильными при изменяющихся тепловых условиях.

ИИ соединяет ранее разделенные рынки материалов

Одной из самых интересных тенденций полупроводников является то, что материалы, которые когда-то принадлежали относительно отдельным отраслям промышленности, становятся частью одной системы.

Рассмотрим передовую вычислительную платформу ИИ.

Она может потребовать:

СОИ

для кремниевой фотоники и оптической связи.

Стекло

для передовых упаковок следующего поколения.

HBM

для памяти высокой пропускной способности.

Керамика AlN или SiC

для теплового управления и полупроводникового оборудования.

Материалы на основе алмазов

для распространения сильного тепла.

GaN

для высокоэффективного преобразования энергии в центры обработки данных.

SiC

для энергетической инфраструктуры высокой мощности.

Эти материалы выполняют совершенно разные функции.

Но ИИ соединяет их с помощью тех же инженерных требований:

• больше пропускной способности
• Больше интеграции
• более высокая энергоэффективность
• более низкое тепловое сопротивление

От масштабирования процессов к масштабированию систем

Таким образом, полупроводниковая промышленность вступает в более широкую форму масштабирования.

Традиционное масштабирование сосредоточено в первую очередь на уменьшении размеров транзисторов.

Будущее улучшение производительности все больше зависит от:

**размеры транзисторов

• размеры упаковки
• масштабирование памяти
• оптическое масштабирование
• масштабирование мощности
• тепловое масштабирование**

Вот почему передовые материалы становятся стратегически важными.

Более быстрый транзистор дает ограниченную пользу, если данные не могут быстро достичь его.

Больший ускоритель ИИ дает ограниченную выгоду, если он перегревается.

Больше HBM дает ограниченную выгоду, если плотность упаковки становится невозможно управлять.

Передовые упаковки и материалы становятся частью уравнения производительности.

На какие полупроводниковые материалы следует обратить внимание промышленности?

Некоторые категории заслуживают особого внимания.

Фотоника SOI

Под управлением кремниевой фотоники, высокоскоростной оптической связи и CPO.

Стеклянные подложки

Приводом для этого являются чиплет, HBM, передовые упаковки большой площади и технологии TGV.

SiC

Под управлением электромобилей, промышленной энергетики, возобновляемой энергии и высоковольтной электроники.

GaN

Под управлением высокочастотного преобразования мощности и эффективности центра обработки данных.

Керамика с высокой теплопроводностью

Под управлением плотности мощности и передового полупроводникового оборудования.

Тепловые материалы на основе алмазов

Под управлением экстремального теплового потока в ИИ, RF и высокомощных устройствах.

Эти материалы не заменят кремний.

Вместо этого они все больше окружают кремний и позволяют ему продолжать масштабироваться на уровне системы.

Заключение

Революция полупроводников ИИ становится революцией материалов.

На протяжении десятилетий самым важным вопросом в отрасли было:

Насколько маленьким мы можем сделать транзистор?

Этот вопрос остается важным.

Но этого уже недостаточно.