Die KI-Rechenleistung wird in ihrer Kehle ersticktMaterialien.
Lip-Bu Tan, CEO von Intel, hat Diamant, Siliziumkarbid (SiC), Indiumphosphid (InP), Galliumnitrid (GaN) und Glassubstrate als fünf Schlüsselmaterialien genannt, die entscheidend für die Überwindung des Engpasses sind. Unterdessen haben Brancheninsider unverblümt gewarnt: „Unzureichende InP-Laser-Produktionskapazität ist der größte Engpass für Co-verpackte Optiken (CPO).“
Das bedeutet, dass die Daten unabhängig von der Leistungsfähigkeit der GB200/300-Chips von Nvidia ohne die Unterstützung fortschrittlicher Materialien einfach nicht mit hoher Geschwindigkeit fließen können.
Dies ist nicht nur ein Kapazitätsproblem – es ist eine Herausforderung, die die Grenzen der Materialwissenschaft überschreitet. Von SiC/GaN-Stromversorgung und Glassubstratverpackungen (wie von Tan hervorgehoben) über Lithiumniobat und SOI für optische Verbindungslösungen bis hin zu Diamant- und Keramiksubstraten für die Wärmeableitung unter extremen Leistungslasten.Materialiensind in der zweiten Hälfte der KI zum unsichtbaren Schlachtfeld geworden. Wer zuerst durchbricht, hat den Schlüssel zur Computerdominanz in der Hand.
Diamant
Da die KI-Rechenleistung rasant zunimmt, wird die Wärmeableitung in High-End-Chips immer schwerwiegender. Nvidias Rubin Ultra beispielsweise wird voraussichtlich über 2.300 W pro Chip verfügen, wobei die lokale Wärmeflussdichte 1.000 W/cm² übersteigt – ein nahezu unvorstellbares Wärmeniveau. Herkömmliche Wärmeverteiler aus Kupfer und Aluminium stoßen an ihre physikalischen Grenzen. Diamant hat sich mit seiner ultrahohen Wärmeleitfähigkeit als Spitzenkandidat unter den neuen Halbleitermaterialien herausgestellt.
Diamant ist weithin für seine extreme Härte bekannt – mit einer Mohs-Härte von 10 die härteste natürlich vorkommende Substanz – und ist mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis zu 2.200 W/(m·K) auch einer der besten Wärmeleiter der Natur, 5,5-mal so hoch wie Kupfer und 11-mal so hoch wie Aluminium. Es ist außerdem ein elektrischer Isolator und sein Wärmeausdehnungskoeffizient entspricht weitgehend dem von Silizium, SiC und GaN. Branchenbeobachter haben festgestellt: Wenn die Leistung eines einzelnen Chips 1.400 W übersteigt, ist Diamant keine „Option“ mehr – er wird zur „Notwendigkeit“.
Nvidias GPUs der nächsten -Generation mit Vera-Rubin-Architektur haben vollständig eine „Diamant-Kupfer-Verbundmaterial-+ 45-Grad--Kontakt-Flüssigkeitskühlungslösung“ übernommen, und die Branche hat 2026 sogar als „das erste Jahr der groß angelegten Einführung der Diamant-Wärmeableitung“ bezeichnet.
Siliziumkarbid (SiC)
Die Leistung von KI-Rechenzentrums-Racks steigt von mehreren zehn Kilowatt auf Hunderte von Kilowatt, und Racks im Megawatt-Maßstab-sind in Sicht. Mit steigenden Strom- und Spannungspegeln leidet die herkömmliche Stromumwandlung auf Silizium--Basis unter enormen Verlusten. Darüber hinaus erfordert KI Materialien, die Wärme schnell ableiten, weniger Strom verbrauchen, nur wenig Platz beanspruchen und hohen Temperaturen standhalten.
SiC bietet eine hohe Durchbruchspannung, stabile Leistung bei hohen Temperaturen und deutlich geringere Schaltverluste als Silizium. Sein kompakter Geräte-Footprint und seine hervorragende Zuverlässigkeit machen es zur idealen Wahl für 800-V-Hochspannungs-DC-Architekturen (HGÜ). Es erreicht Wirkungsgrade von über 97 % bei Eingangsgleichrichtungs- und Leistungsfaktorkorrekturstufen (PFC) mit hoher Spannung und reduziert Übertragungsverluste in 800-V-HGÜ-Systemen um über 30 %. Neue Rechenzentren von Nvidia, Microsoft und anderen Technologiegiganten haben SiC-basierte Energiearchitekturen bereits standardmäßig übernommen. Inländische chinesische Hersteller wie TankeBlue Semiconductor beschleunigen die 8-Zoll-Substrat- und Epitaxie-Massenproduktion, um die Waferkosten zu senken.
Galliumnitrid (GaN)
GaN und SiC bilden eine klare „Hoch-Spannung vs. Nieder-Spannung“: SiC bleibt im Serverraum, während GaN in die Racks wandert.
GaN zeichnet sich durch eine hohe Elektronenmobilität und eine außergewöhnliche Leistungsdichte aus und zeichnet sich durch die Leistungsumwandlung mit hoher{0}Frequenz, niedriger-Spannung und hoher{2}}Dichte aus. In GPU-Leistungsmodulen, Hochfrequenz-DC-DC-Wandlern und Server-Netzteilen – wo Platz und Reaktionsgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung sind – kann GaN die Größe des Netzteils verkleinern und gleichzeitig die Leistungsdichte erhöhen. Der 8-Zoll-GaN-Prozess von Samsung hat bereits eine Kostenreduzierung von 30 % erreicht und beschleunigt seine Anpassung für den Einsatz in großen Rechenzentren.
Indiumphosphid (InP)
Indiumphosphid ist unersetzlich – es ist das einzige Substratmaterial für die Massenproduktion von Laser- und Fotodetektorchips und passt perfekt zu den verlustarmen 1310-nm- und 1550-nm-Fenstern der Glasfaserkommunikation. Im CPO-Bereich integriert der Mainstream-Ansatz der Branche optische Motoren und elektrische Chips auf demselben Substrat, und die Hochgeschwindigkeits-Lichtemissionsgeräte im Kern von CPO basieren zu 100 % auf InP-Lasern.
Um auf die Warnung dieses Branchenmanagers zurückzukommen: Hinter diesen Worten verbergen sich krasse Zahlen. Im Jahr 2025 wird die weltweite InP-Substratnachfrage auf 2,0–2,1 Millionen Stück geschätzt, während das effektive Angebot nur 600.000–700.000 Stück beträgt – eine Angebots-/Nachfragelücke von über 70 %, die voraussichtlich bis 2030 anhalten wird. Goldman Sachs hat eine noch direktere Prognose abgegeben: „Das Angebot an Lichtquellen wird bis 2027 knapp bleiben und sich möglicherweise erst in der zweiten Jahreshälfte auszugleichen.“ 2028, wenn die Kapazitätserweiterungen der Lieferkette online gehen.“
Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN)
Durch die Ausnutzung des starken linearen elektro-optischen Effekts (Pockels-Effekt) von Lithiumniobat ermöglicht Dünnschicht-Lithiumniobat eine hohe-Bandbreite und hohe-Linearität (hohe-Wiedergabetreue) optische Signalmodulation bei niedrigen Ansteuerspannungen. Dadurch eignet es sich gut-für optische Übertragungsanwendungen über mittlere- bis große -Distanzen-Bandbreiten wie Backbone-Netzwerke und Metro-Netzwerke. Darüber hinaus ermöglichen der hohe Brechungsindexkontrast und der hervorragende optische Einschluss eine höhere Integration, wodurch die Gerätegröße und der Stromverbrauch verbessert werden.
In optischen Modulatoren bietet Dünnschicht-Lithiumniobat einen elektro-optischen Koeffizienten, der dreimal so hoch ist wie der von InP und über hundertmal so hoch wie der der Siliziumphotonik. Mit nur 1,8 V kann eine Ultra-Hochgeschwindigkeitsmodulation-über 100 GHz erreicht werden, wodurch der Stromverbrauch um 30–50 % gesenkt wird, während ein einzelner Kanal problemlos mit 400 G betrieben werden kann.
Während die KI-Rechenleistung explodiert, steigen die optischen Verbindungen von Rechenzentren von 400 G auf 800 G, 1,6 T und 3,2 T. Die Leistungseinschränkungen herkömmlicher Materialien werden immer deutlicher, und Dünnschicht-Lithiumniobat ist auf dem besten Weg, ein entscheidendes Material für die optische Hochgeschwindigkeitsübertragungsmodulation der nächsten Generation zu werden. Derzeit verfügen nur vier Unternehmen weltweit über Kapazitäten zur Massenproduktion von 8-Zoll-High-End-Wafern, wobei die Lücke zwischen Angebot und Nachfrage mehr als 70 % beträgt.
SOI (Silizium-auf-Isolator)
Wenn Silizium das „Fleisch“ eines Chips ist, ist SOI das „Skelett“ der Siliziumphotonik. Diese „obere Silizium-vergrabene Oxid-Substrat“-Sandwichstruktur eliminiert durch das Einfügen einer Siliziumdioxid-Isolierschicht unter der Siliziumschicht das Übersprechen zwischen Elektronen und Photonen vollständig. Es reduziert die parasitäre Kapazität um über 60 %, wodurch elektrische Signale schneller und effizienter übertragen werden können. Noch wichtiger ist, dass der große Brechungsindexunterschied zwischen dem oberen Silizium und der Oxidschicht auf natürliche Weise die „Wände“ eines optischen Wellenleiters bildet und es ermöglicht, optische Signale mit minimalem Verlust auf dem Chip zu biegen und zu übertragen.
Im KI-Zeitalter ist SOI das unersetzliche Kernsubstrat für die Herstellung optischer Module, CPO-Engines und Quantenchips. Die weltweite Produktionskapazität ist stark auf das französische Unternehmen Soitec konzentriert, weshalb die Lokalisierung im Inland eine dringende Priorität hat.
Glassubstrate
Da GPUs, HBM und Chiplet-Stacking die Verpackung in Richtung großer Formfaktoren, hoher Dichte und Hochgeschwindigkeitsverbindungen vorantreiben, sind herkömmliche organische Substrate und Silizium-Interposer zunehmend mit Einschränkungen hinsichtlich Größe, Kosten und Leistung konfrontiert.
Glassubstrate, Through Glass Vias (TGV) für vertikale elektrische Verbindungen, schließen genau die Marktlücke zwischen organischen Substraten und Silizium-Interposern. Sie bieten einen einstellbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten (abgestimmt auf Siliziumchips), einen extrem geringen dielektrischen Verlust und eine extrem hohe Oberflächenebenheit. Intel-Tests haben gezeigt, dass sie die Musterverzerrung um 50 % reduzieren und die Verbindungsdichte um das bis zu Zehnfache erhöhen können.
Weltweit führende Halbleiterunternehmen beschleunigen ihre Investitionen rasant – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group und LG Group haben alle die Arena betreten und einen kommerziellen Wettlauf um Glassubstrate gestartet.
Keramiksubstrate
Bei integrierten Verpackungen mit hoher -Dichte erzeugen Geräte mit hoher Leistung, die gleichzeitig betrieben werden, enorme Mengen konzentrierter Wärme, und das Verpackungssubstrat ist die primäre Wärmeableitungskomponente. Wenn die Leistung von KI-Chips die 2.000-W-Schwelle überschreitet, besteht bei herkömmlichen organischen FR-4-Substraten aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit (nur 0,3 W/(m·K)) und der unterschiedlichen Wärmeausdehnung ein erhebliches Risiko für Verformung und Delaminierung. Keramiksubstrate mit ihren inhärenten Vorteilen hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher elektrischer Isolierung und hervorragender thermischer Anpassung sind für Hochleistungsszenarien zu einer Notwendigkeit geworden.
Unter ihnen ist Aluminiumnitrid (AlN) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 170–220 W/(m·K) die erste Wahl für die Wärmeableitung in 800G/1,6T-Hochgeschwindigkeits-Optikmodulen. Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit seiner hervorragenden Biegefestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit dient als Verpackungsgrundlage für SiC/GaN-Hochspannungs-Leistungsmodule.