AI 競争が激化するにつれ、ハイエンド GPU チップの消費電力は大幅に増加し続けています。{0} NVIDIA の H100 シングル カードの消費電力は 700 W に達しますが、新しい Blackwell シリーズではそれが 1000 ～ 1400 W に押し上げられ、最新の Vera Rubin アーキテクチャ GPU のピーク消費電力は 2300 W を超えています。このような極端な電力レベルは、次世代 AI チップ開発の中核的なボトルネックとなっています。
現在、液体冷却と浸漬冷却は、サーバーレベルの熱管理のために業界で広く採用されています。ただし、これらのアプローチでは、チップ付近の局所的な熱蓄積という根本的な問題は解決できません。ホットスポットが継続的に発生すると、周波数スロットリングやパフォーマンスの低下が生じ、ハイエンド AI チップの機能が大幅に制限されます。ダイヤモンドベースの放熱技術は、この課題を克服する効果的な手段として浮上しました。
市場でよくある誤解は、ダイヤモンドの主な利点は単にその高い熱伝導率であるということです。実際、ダイヤモンドの核となる競争力は、その二重の能力にあります。それは、超高熱伝導率と、チップ材料に適合する優れた熱膨張の組み合わせです。-この組み合わせは、銅、銀、炭化ケイ素などの従来の材料では容易に実現できません。
重要なデータによると、CVD 単結晶ダイヤモンドの熱伝導率は 2000 W/(m・K) を超え、同位体精製バージョンの熱伝導率は 3000 W/(m・K)- を超え、従来の銅の約 5 倍です。さらに重要なことに、ダイヤモンドは優れた熱適合性を備えています。その熱膨張係数 (CTE) はわずか 1.0 ～ 1.1 ppm/K で、シリコンの 2.6 ppm/K とほぼ一致し、その結果、熱的不整合はわずか 1.5 ppm/K になります。対照的に、業界で一般的に使用されている銅の CTE は 16.5 ～ 17 ppm/K で、シリコンとの不一致は約 14 ppm/K です-。ダイヤモンドよりも 1 桁高いです。
現在の AI チップは一般に 2.5D および 3D 積層プロセスを採用しており、層間に熱源が密に集中し、熱クロストークが悪化します。銅ベースの構造は熱的不整合が大きく、温度サイクルが繰り返されると継続的に膨張と収縮が起こり、はんだ接合部の疲労や界面亀裂が容易に発生し、チップの信頼性と寿命が著しく損なわれます。{3}}ダイヤモンドは、熱不整合が非常に低いため、チップ インターフェースでの熱ストレスを根本的に軽減し、パッケージング不良のリスクを回避し、ハイエンド AI チップの進化のトレンドにうまく適合します。
多結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドと同等の熱膨張率で1000～2200 W/(m・K)の熱伝導率を実現し、大型で低コストで製造できるため、AIサーバーのヒートシンクとしての大規模導入に適しています。ダイヤモンドと銅の複合材料は、500～650 W/(m・K) の熱伝導率を備え、調整可能な CTE と優れた機械加工性を備えています。-これは、「熱伝導率は高いがチップ互換性が低い」という従来のジレンマを解決する、コスト効率の高い妥協案です。
これらの優れた材料上の利点にもかかわらず、産業での採用は依然として 2 つの主要な技術的課題に直面しています。
まず、界面熱抵抗です。ダイヤモンドを含む材料は自動的に銅の 5 倍優れた冷却効果を発揮するという誤解が広まっています。実際には、結合プロセスが不十分であると、非常に高い界面熱抵抗が生じ、ダイヤモンド本来の優れた導電性が無効になり、放熱性能が著しく損なわれる可能性があります。 2 つ目は、超精密加工と界面配合です。ダイヤモンドは非常に硬いため、すべての精密なステップに特殊な装置とプロセスが必要となり、加工の障壁が高くなります。さらに、ダイヤモンドと銅の間の界面結合は弱いため、安定した配合を実現し、長期にわたる信頼性の高い動作を保証するには、チタンやタングステンコーティングなどの界面改質技術が必要です。
現在の AI チップの消費電力は「3 年間で 3 倍」の速度で増加しており、3D 積層の普及により層間の熱蓄積と局所的なホットスポットがますます顕著になっています。これらのホット スポットは、パフォーマンスの低下と強制的な周波数低下の主な原因です。ダイヤモンドの熱拡散と液体冷却は代替品ではなく、補完的なソリューションであることを明確にすることが重要です。ダイヤモンドは極度の局所的な熱流束を平坦化し、ホットスポットの蓄積を排除して-接合近傍の熱集中に対処-する役割を果たし、液体冷却はシステムから均一に広がる熱を除去し、遠端の熱遮断を完了します。
国内のダイヤモンド放熱産業チェーンは、上流の原材料は強いものの、下流の中核プロセスが相対的に弱いというパターンを示しています。上流の合成ダイヤモンドの成長において、大面積の多結晶ダイヤモンドに関する中国の技術力は、海外の同業者と同等か、いくつかの指標ではそれを上回っています。しかし、ウェハレベルの無はんだ直接接合や正確な低熱抵抗プロセス制御など、下流の主要技術にはまだギャップが残っています。
コストの点では、MPCVD 装置の高い電力消費が、大量生産における主なコスト圧力です。これに対処するため、SF ダイヤモンド、黄河旋風、恵峰ダイヤモンドなどの国内大手企業は、新疆や内モンゴルなどの電力料金の安い地域で戦略的に生産能力を構築しており、安価な電力、大型チャンバーの生産設備、独自のプロセス開発を活用して製造コストを継続的に削減しています。
全体として、AI チップの消費電力が増加し続ける傾向を考慮すると、従来の銅ベースの放熱材料は物理的性能の限界に達しており、次世代のハイエンド チップの要求を満たすことはほとんどできません。ダイヤモンドは、超高熱伝導率と低い熱不整合という独自の組み合わせにより、高度な AI チップ向けの効果的な熱管理ソリューションとして際立っています。