Быстрый рост искусственного интеллекта создает беспрецедентный спрос на вычислительную мощность, пропускную способность памяти, скорость взаимосвязи, тепловое управление и передовые технологии упаковки.В то время как развитие ИИ часто связано с графическими процессорами и большими языковыми моделями, основные материалы и технологии полупроводников приобретают одинаковое значение.

Поскольку традиционное масштабирование транзисторов приближается к физическим пределам, полупроводниковая промышленность все больше полагается на передовые материалы, фотоническую интеграцию, гетерогенную упаковку,и новые архитектуры взаимосвязей для дальнейшего улучшения производительности.

Среди многих новых технологий, находящихся в стадии разработки, пять областей выделяются своим потенциальным влиянием на будущую инфраструктуру ИИ:

1. Субстраты из карбида кремния (SiC) для упаковки с продвинутым ИИ
2. Литий-ниобат тонкопленочного типа (TFLN/LNOI) и Lithium Tantalate Photonics
3. Архитектуры оптических взаимосвязей на базе микроLED
4. Сапфировые пластинки в передовой упаковке и энергетической электронике
5. Технология упаковки CoWoP (Chip-on-Wafer-on-PCB)

1. Силиконовый карбид (SiC) субстраты для AI упаковки следующего поколения

Почему важно управлять теплом

Современные ускорители искусственного интеллекта могут потреблять сотни и тысячи Вт в одном пакете.Тепловое управление становится одним из наиболее важных узких мест в работе системы.

Традиционные кремниевые упаковочные материалы все больше подвергаются проблемам:

• Высокая плотность мощности
• Местные тепловые точки
• Требования к целостности сигнала
• Механические нагрузки в больших упаковках

Преимущества карбида кремния

Однокристаллический карбид кремния (SiC) имеет несколько привлекательных свойств:

Значительно более высокая теплопроводность SiC позволяет более эффективно распространять тепло, снижая температуру соединения и потенциально повышая надежность упаковки.

Потенциальная роль в упаковке ИИ

Обсуждения в отрасли предполагают, что будущие высокопроизводительные вычислительные платформы могут изучать интерпозеры, носители или технологии субстрата на основе SiC для решения растущих тепловых нагрузок.

Потенциальные применения включают:

• Продвинутая упаковка в стиле CoWoS
• Платформы интеграции чиплет
• Передатчики высокой плотности
• Структуры теплового управления

Поскольку системы ИИ продолжают масштабироваться в сторону вычислений в экза- и зетта-масштабах, передовые тепловые материалы, такие как SiC, могут стать стратегически важными.

2Тонкопленочный ниобат лития и танталат лития для оптических соединений ИИ

Растущая потребность в оптической связи

Недостатки производительности в кластерах ИИ все больше переходят от вычислений к перемещению данных.

Современные системы обучения ИИ требуют:

• Массивная связь GPU-GPU
• Сетевое взаимодействие на уровне схем
• Оптические ткани для центров обработки данных
• Межсетевые связи с низкой задержкой

Электрические соединения сталкиваются с растущими ограничениями в полосе пропускания, потреблении энергии и потерей сигнала.

Почему важно TFLN

Тонкопленочный ниобат лития (TFLN), также известный как ниобат лития на изоляторе (LNOI), становится одной из самых перспективных фотонических платформ.

Ключевые преимущества:

• Очень сильный электрооптический эффект
• Большая пропускная способность модуляции
• Низкая потеря вставки
• Низкое потребление энергии
• Отличная температурная устойчивость

Роль литиевого танталата

Танталат лития (LiTaO3) дополняет ниобат лития в таких применениях, как:

• РЧ-фильтры
• Устройства для звуковых волн
• Фотоническая интеграция
• Обработка оптического сигнала

Будущие применения ИИ

Модуляторы TFLN все чаще рассматриваются для:

• Оптические модули 800G
• 1.6T оптические модули
• Оптические комплектующие (CPO)
• Ткани оптического искусственного интеллекта

Многие исследователи считают, что гибридная интеграция сочетает:

• Кремниевая фотоника (SiPh)
• Литий-ниобат тонкопленочного типа
• Продвинутая упаковка

может стать одной из доминирующих архитектур для коммуникационных систем ИИ следующего поколения.

3. МикроЛЭД-основанные оптические соединения

За пределами дисплейной технологии

Технология MicroLED обычно ассоциируется с дисплеями следующего поколения.

В отличие от традиционных систем на основе лазера, массивы MicroLED могут работать как высокопараллельные оптические коммуникационные двигатели.

Параллельная оптическая архитектура

Концепция проста:

Вместо одного ультрабыстрого канала, который перевозит весь трафик, одновременно работают сотни каналов с более низкой скоростью.

Пример:

• Одноканал: 2 Гбит/с
• 400 каналов: 800 Гбит/с
• 800 каналов: 1,6 Тбит/с

Этот параллельный подход имеет несколько преимуществ.

Потенциальные преимущества

Более низкое потребление энергии

МикроЛЭД могут работать на:

• Более низкое напряжение
• Более низкие тепловые нагрузки
• Сниженные требования к оптической мощности

Улучшенная надежность

Большие массивы позволяют избыточность.

Если некоторые излучатели не работают:

• Общение может продолжаться.
• Улучшается надежность системы

Интерконнекты ИИ малого радиуса действия

Потенциальные применения включают:

• Коммуникация на стеллаже
• Оптические фонпланы
• Сервер ИИ взаимосвязан
• Системы оптического переключения

Несмотря на то, что MicroLED-оптическая связь все еще находится на ранних стадиях коммерциализации, она представляет собой интересную альтернативу традиционным лазерным решениям.

4.Вафры из сапфирав эпоху после Мура

Инновации в области материалов за пределами транзисторного масштабирования

По мере замедления действия закона Мура инновации в полупроводниках все больше зависят от:

• Продвинутые материалы
• Новые архитектуры упаковки
• Гетерогенная интеграция
• Тепловая техника

Сапфир (α-Al2O3) вызывает новый интерес из-за его уникальной комбинации свойств.

Ключевые характеристики материала

Приложения в передовой упаковке

Исследователи изучают сапфир для:

• Временные соединители
• Ультратонкая подставка для пластин
• Структуры интерпозиторов
• Оптические упаковочные платформы

Его высокая механическая прочность может помочь уменьшить деформацию вафли и ущерб от обработки во время передовых процессов упаковки.

Роль в электротехнике

Сапфир также остается важным в:

• Производство светодиодов
• РЧ-устройства
• Оптические системы
• Широкополосные полупроводниковые экосистемы

Поскольку сложность упаковки продолжает расти, сапфир может найти новые возможности за пределами своего традиционного рынка светодиодной подложки.

5. CoWoP упаковка: потенциальная эволюция за пределами обычных CoWoS

Что такое CoWoP?

CoWoP означает:

Чип на пластинке на ПКБ

Концепция направлена на упрощение передовых конструкций упаковки путем удаления традиционного слоя субстрата ABF.

Вместо этого кремниевый интерпозер подключается непосредственно к печатной плате (PCB).

Потенциальные преимущества

Уменьшенная длина пути сигнала

Более короткие электрические пути могут обеспечить:

• Более низкая задержка
• Уменьшение потери сигнала
• Улучшенная пропускная способность

Улучшенная тепловая гибкость

Удаление слоя подложки может создать дополнительные варианты управления тепловой энергией.

Снижение затрат

Расходы на передовую упаковку стали одной из основных проблем в полупроводниковой промышленности.

Упрощенная структура пакета может предлагать:

• Меньше этапов процесса
• Более низкие затраты на материалы
• Улучшенная масштабируемость

Технические проблемы

Несмотря на свои обещания, CoWoP сталкивается со значительными препятствиями.

Требования к точности ПКБ

Будущие пакеты ИИ могут потребовать:

• Ширины линий менее 10 мкм
• Ультравысокая плотность маршрутизации
• Усовершенствованные производственные возможности

Урожайность и надежность

Необходимые препятствия включают:

• Пакет большой площади
• Механическое напряжение
• Точность сборки

Материальные узкие места

Одной из ключевых технологий является сверхтонкая медная фольга, которая необходима для достижения плотности тонкого маршрутизации, требуемой системами ИИ следующего поколения.

Заключение

Будущее аппаратного обеспечения ИИ будет определяться не только большими графическими процессорами или более продвинутыми моделями программного обеспечения.и упаковочных инноваций, которые позволяют этим системам эффективно масштабироваться.

Среди технологий, привлекающих все большее внимание отрасли:

• Карбид кремния для теплового управления и передовой упаковки
• Литий-ниобат тонкопленочного типа для оптических соединений
• Оптическая связь на основе микроLED
• Сапфировые субстраты для гетерогенной интеграции
• Архитектура упаковки CoWoP

Хотя каждая технология находится на разной стадии зрелости, все они представляют собой важные направления в эволюции инфраструктуры ИИ.Прорывы в материаловедении и упаковочной инженерии могут оказаться столь же преобразующими, как и достижения в самой компьютерной архитектуре..