На фоне постоянного роста вычислительной мощности ИИ охлаждение чипов становится важным фактором, сдерживающим раскрытие их потенциала. По мере развития графических процессоров (GPU) в сторону более высокой вычислительной мощности и энергопотребления традиционные материалы для охлаждения, такие как медь и алюминий, постепенно приближаются к пределу своих возможностей, а алмаз, обладающий сверхвысокой теплопроводностью, начинает переходить из разряда передовых материалов в цепочку производства систем теплового управления для чипов ИИ.
Согласно подробному отчету, опубликованному компанией Huibo Intelligent Investment Research, алмаз является одним из материалов с наилучшими комплексными теплоотводящими характеристиками в природе: теплопроводность монокристаллического алмаза при комнатной температуре достигает 2000–2200 Вт/(м·К), что примерно в 5–6 раз превышает показатели меди. Кроме того, он обладает низким коэффициентом теплового расширения и высокой электроизоляцией, что обеспечивает высокую совместимость с требованиями к корпусам чипов с высоким энергопотреблением.
Чем выше вычислительная мощность, тем ближе охлаждение к «физическому пределу»
Спрос на алмазные системы охлаждения стремительно растет, и основной движущей силой этого роста является постоянное увеличение энергопотребления чипов искусственного интеллекта.
В отчете отмечается, что энергопотребление одного чипа графического процессора NVIDIA выросло с 400 Вт у модели A100 в 2020 году до 1000 Вт у модели Blackwell в 2024 году, и в будущем энергопотребление чипов будет продолжать расти. В то же время передовые технологии 2,5D/3D-корпусирования, такие как CoWoS и SoIC, постоянно увеличивают плотность укладки чипов, что приводит к удлинению тепловых путей и накоплению теплового сопротивления, а также к дальнейшему усложнению отвода тепла из локальных горячих точек.
Это означает, что приоритеты в области охлаждения систем искусственного интеллекта меняются: если раньше речь шла в основном о том, «как отвести тепло», то в будущем в первую очередь необходимо будет решить задачу «как быстро распределить тепло от локальных горячих точек чипа». Благодаря чрезвычайно высокой теплопроводности алмаз способен быстро распределять тепло в поперечном направлении вблизи границы раздела чипа, а затем передавать его во внешние системы, такие как жидкостное охлаждение, поэтому он, по всей видимости, станет важным направлением модернизации существующих систем жидкостного охлаждения.
Три технологических направления развиваются параллельно, при этом алмазно-медные материалы первыми вышли на промышленное производство
В настоящее время в области алмазных теплоотводов сформировались три основных технологических направления: алмазно-медные композитные материалы, поликристаллический алмаз и монокристаллический алмаз.
Среди них композитные материалы «алмаз-медь» обладают коэффициентом теплопроводности 600–800 Вт/м·К, а их стоимость составляет всего 10–20 % от стоимости чистого алмаза; они сочетают в себе высокие эксплуатационные характеристики, технологичность и экономичность, поэтому их промышленное внедрение находится на относительно наиболее зрелой стадии; теплоотводы из поликристаллического алмаза демонстрируют более высокие эксплуатационные характеристики, однако при их производстве по-прежнему возникают такие проблемы, как изготовление крупногабаритных изделий, деформация и гетерогенная сварка; теплопроводность монокристаллического алмаза, полученного методом MPCVD, может достигать 2000 Вт/м·К, и эта технология считается перспективной в долгосрочной перспективе, однако на данном этапе основными сдерживающими факторами остаются массовое производство крупногабаритных пластин и высокая себестоимость.
С точки зрения производственной цепочки, верхний сегмент в основном включает алмазное сырье и оборудование MPCVD, средний сегмент — теплоотводы, алмазно-медно-композитные материалы и прецизионную обработку, а нижний сегмент — корпусирование чипов и теплоотводящие модули. Согласно отчету, средний сегмент, включающий теплоотводы и композитные материалы, занимает 50–60 % стоимости производственной цепочки и является ее ключевым звеньем с точки зрения добавленной стоимости.
