Halsen av AI datorkraft håller på att kvävas avmaterial.
Intels VD Lip-Bu Tan har utnämnt diamant, kiselkarbid (SiC), indiumfosfid (InP), galliumnitrid (GaN) och glassubstrat som fem nyckelmaterial som är avgörande för att bryta flaskhalsen. Samtidigt har industrins insiders rakt på sak varnat: "Otillräcklig produktionskapacitet för InP-laser är den centrala stryppunkten för co-förpackad optik (CPO)."
Det betyder att oavsett hur kraftfulla Nvidias GB200/300-chips är, utan stöd av avancerade material, kan data helt enkelt inte flöda i hög hastighet.
Detta är inte bara en kapacitetsfråga – det är en utmaning som tänjer på gränserna för materialvetenskap. Från SiC/GaN-kraftleverans och glas-substratförpackning (som framhävts av Tan), till litiumniobat och SOI för optiska sammankopplingslösningar, och diamant- och keramiska substrat för värmeavledning under extrema kraftbelastningar,materialhar blivit det osynliga slagfältet under andra halvan av AI. Den som slår igenom först kommer att ha nyckeln till datordominans.
Diamant
När AI-beräkningskraften accelererar med rasande hastighet blir värmeavledningen i avancerade-chips allt allvarligare. Nvidias Rubin Ultra förväntas till exempel överstiga 2 300 W per chip, med lokala värmeflödestätheter som överstiger 1 000 W/cm² – en nästan ofattbar värmenivå. Traditionella värmespridare av koppar och aluminium når sina fysiska gränser. Diamond, med sin ultra-höga värmeledningsförmåga, har blivit en ledande kandidat bland nya halvledarmaterial.
Vida känd för sin extrema hårdhet – det hårdaste naturligt förekommande ämnet, med en Mohs-hårdhet på 10 – diamant är också en av naturens bästa värmeledare, med en värmeledningsförmåga på upp till 2 200 W/(m·K), 5,5 gånger den för koppar och 11 gånger den för aluminium. Det är också en elektrisk isolator och dess värmeutvidgningskoefficient överensstämmer väl med kisel, SiC och GaN. Branschobservatörer har noterat: när enstaka-effekt överstiger 1 400 W är diamant inte längre ett "alternativ" – det blir en "nödvändighet".
Nvidias nästa-generation Vera Rubin-arkitektur-GPU:er har helt antagit en lösning med "diamant-kopparkompositmaterial + 45 grad direkt-kontakt med vätskekylning", och branschen har till och med markerat 2026 som det "första året med stor-antagande av diamantvärmeavledning."
Kiselkarbid (SiC)
Effekten av AI-datacenterracket stiger från tiotals kilowatt till hundratals kilowatt, med megawatt-skala rack vid horisonten. När ström- och spänningsnivåerna stiger lider traditionell kisel-baserad kraftomvandling av häpnadsväckande förluster. Dessutom kräver AI material som avleder värme snabbt, förbrukar mindre ström, tar minimalt med utrymme och tål höga temperaturer.
SiC erbjuder hög genombrottsspänning, stabil prestanda vid höga temperaturer och kopplingsförluster som är mycket lägre än kisel. Dess kompakta enhetsfotavtryck och utmärkta tillförlitlighet gör den till det idealiska valet för 800V hög- DC-arkitekturer (HVDC) – som uppnår effektiviteter över 97 % i steg för hög-ingångslikriktning och effektfaktorkorrigering (PFC) och minskar överföringsförlusterna med över 30 % i HVDC-system. Nya datacenter byggda av Nvidia, Microsoft och andra teknikjättar har redan antagit SiC-baserad kraftarkitektur som standard. Inhemska kinesiska tillverkare som TankeBlue Semiconductor accelererar 8-tums substrat och epitaxiell massproduktion för att minska waferkostnaderna.
Galliumnitrid (GaN)
GaN och SiC bildar en tydlig "hög-spänning vs. låg-spänning" division: SiC stannar i serverrummet medan GaN flyttar in i racken.
GaN har hög elektronrörlighet och exceptionell effekttäthet, som utmärker sig i hög-frekvens, låg-spänning och hög-densitetseffektomvandling. I GPU-strömmoduler,-högfrekvens DC-DC-omvandlare och serverströmförsörjning – där utrymme och svarshastighet är avgörande – kan GaN krympa strömförsörjningsstorleken samtidigt som den ökar strömtätheten. Samsungs 8--tums GaN-process har redan uppnått en kostnadsminskning på 30 % och påskyndar sin anpassning för storskalig datacenterinstallation.
indiumfosfid (InP)
Indiumfosfid är oersättlig – det är det enda massproduktionssubstratet- för laser- och fotodetektorchips, som perfekt matchar 1310nm och 1550nm låg-förlustfönster för fiberoptisk-kommunikation. Inom CPO-domänen integrerar branschens vanliga tillvägagångssätt optiska motorer och elektriska kretsar på samma substrat, och de höghastighetsljusemitterande enheterna- i kärnan av CPO förlitar sig till 100 % på InP-lasrar.
För att återgå till den industrichefens varning: bakom dessa ord ligger en skarp uppsättning siffror. År 2025 uppskattas den globala efterfrågan på InP-substrat till 2,0–2,1 miljoner stycken, medan det effektiva utbudet endast är 600 000–700 000 stycken – ett utbuds-efterfrågegap som överstiger 70 %, som förväntas bestå fram till 2030. Goldman Sachs har utfärdat en ännu mer "L2-tighte" för leverans: och kan börja balansera först under andra halvan av 2028 när kapacitetsutvidgningar i leveranskedjan kommer online."
Tunn-film litiumniobat (TFLN)
Genom att utnyttja den starka linjära elektro-optiska effekten (Pockels-effekten) av litiumniobat, möjliggör tunn-filmlitiumniobat hög-bandbredd, hög-linjäritet (hög-fidelitet) optisk signalmodulering vid låga drivspänningar. Detta gör den väl-lämpad för medel- till långa-, optiska överföringsapplikationer med hög-bandbredd som stamnät och metronätverk. Dessutom möjliggör dess höga brytningsindexkontrast och utmärkta optiska inneslutning högre integration, vilket förbättrar enhetens storlek och strömförbrukning.
I optiska modulatorer erbjuder tunn-filmlitiumniobat en elektro-optisk koefficient som är tre gånger så stor som InP och över hundra gånger så stor som kiselfotonik. Med bara 1,8V kan den uppnå ultra-höghastighetsmodulering över 100 GHz, vilket minskar strömförbrukningen med 30–50 %, medan en enda kanal enkelt kan köras på 400G.
När AI-datorkraften exploderar, tävlar datacenters optiska sammankopplingar från 400G till 800G, 1,6T och 3,2T. Prestandabegränsningarna för traditionella material blir allt mer uppenbara, och tunn-filmlitiumniobat är redo att bli ett kritiskt material för nästa-generations hög-optisk transmissionsmodulering. För närvarande är det bara fyra företag världen över som har bemästrat mass-produktionskapacitet för 8-tums high-wafers, med ett gap mellan utbud och efterfrågan som överstiger 70 %.
SOI (Silicon-on-Insulator)
Om kisel är "köttet" av ett chip, är SOI "skelettet" av kiselfotonik. Denna sandwichstruktur med "överst kisel-begravd oxid-substrat" eliminerar genom att infoga ett isolerande kiseldioxidskikt under kiselskiktet fullständigt överhörningen mellan elektroner och fotoner. Den minskar parasitisk kapacitans med över 60 %, vilket gör att elektriska signaler kan köras snabbare och mer effektivt. Ännu viktigare är att den stora brytningsindexskillnaden mellan det övre kislet och oxidskiktet naturligt bildar "väggarna" i en optisk vågledare, vilket gör att optiska signaler kan böjas och överföras med minimal förlust på chipet.
I AI-eran är SOI det oersättliga kärnsubstratet för tillverkning av optiska moduler, CPO-motorer och kvantchips. Den globala produktionskapaciteten är starkt koncentrerad till franska Soitec, vilket gör inhemsk lokalisering till en brådskande prioritet.
Glassubstrat
Eftersom GPU:er, HBM och chiplets stackar förpackningar mot stora formfaktorer, hög densitet och höghastighetssammankopplingar, möter traditionella organiska substrat och kiselmellanläggare alltmer begränsningar i storlek, kostnad och prestanda.
Glassubstrat, genom glasvias (TGV) för vertikal elektrisk sammankoppling, fyller exakt marknadsgapet mellan organiska substrat och kiselmellanlägg. De erbjuder en avstämbar termisk expansionskoefficient (matchad med kiselchips), extremt låg dielektrisk förlust och ultra-hög ytplanhet. Intels tester har visat att de kan minska mönsterförvrängning med 50 % och öka sammankopplingstätheten med upp till 10 gånger.
Globala halvledarledare accelererar snabbt sina investeringar – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group och LG Group har alla tagit sig in på arenan och inlett ett kommersiellt race kring glassubstrat.
Keramiska substrat
I integrerade förpackningar med hög-densitet genererar hög-enheter som arbetar samtidigt enorma mängder koncentrerad värme, och förpackningssubstratet är den primära-värmeavledande komponenten. När AI-chipeffekten passerar tröskeln på 2 000 W, möter traditionella FR-4 organiska substrat, med deras dåliga värmeledningsförmåga (endast 0,3 W/(m·K)) och värmeexpansionsfel, allvarliga risker för skevning och delaminering. Keramiska substrat, med sina inneboende fördelar av hög värmeledningsförmåga, hög elektrisk isolering och utmärkt termisk matchning, har blivit en nödvändighet för scenarier med hög effekt.
Bland dem är aluminiumnitrid (AlN), med en värmeledningsförmåga på 170–220 W/(m·K), det bästa valet för värmeavledning i 800G/1,6T höghastighetsoptiska-optiska moduler. Kiselnitrid (Si₃N₄), med sin utmärkta böjhållfasthet och värmechockbeständighet, fungerar som förpackningsgrunden för SiC/GaN högspänningsmoduler-.