A rápida expansão da inteligência artificial está a impulsionar uma demanda sem precedentes de poder de computação.Os estrangulamentos da indústria já não se limitam apenas ao desempenho dos processadores.

Os modernos centros de dados de IA enfrentam quatro desafios críticos de infraestrutura:

• Fornecimento de energia
• Comunicações de alta velocidade
• Interligações ópticas
• Gestão térmica

Para enfrentar estes desafios, quatro materiais avançados de semicondutores estão a tornar-se cada vez mais importantes:

• Carbono de silício (SiC)
• Nitreto de gálio (GaN)
• Fósforo de ínio (InP)
• CVD Diamond

Cada material oferece propriedades físicas únicas que o tornam indispensável para sistemas de IA de próxima geração.

Carbono de silício (SiC) para sistemas de energia de alta eficiência

À medida que os servidores de IA continuam a aumentar o consumo de energia, as arquiteturas de energia convencionais enfrentam limitações de eficiência.Requerendo uma distribuição de tensão mais elevada e uma conversão de potência mais eficiente.

O carburo de silício surgiu como um material chave para a eletrônica de potência avançada devido a seus:

• Alta tensão de ruptura
• Baixas perdas de mudança
• Excelente condutividade térmica
• Capacidade de funcionamento a altas temperaturas

Em comparação com os dispositivos tradicionais de energia de silício, os MOSFETs baseados em SiC podem melhorar significativamente a eficiência de conversão de energia, reduzindo a geração de calor.

Aplicações de infraestrutura de IA

• Sistemas de alimentação em corrente contínua de alta tensão
• Fontes de alimentação de centros de dados
• Transformadores de estado sólido
• Integração das energias renováveis
• Infraestrutura de carregamento de veículos elétricos

Principais vantagens

À medida que as instalações de IA se movem em direção a arquiteturas de potência de maior voltagem, espera-se que os dispositivos SiC desempenhem um papel cada vez mais importante na infraestrutura de computação eficiente em termos energéticos.

Nitreto de gálio (GaN) para comunicações de alta frequência

A computação de IA depende fortemente da transmissão rápida de dados entre servidores, sistemas de armazenamento e equipamentos de rede.O nitruro de gálio tornou-se um material preferido para aplicações de RF e alta frequência.

A GaN oferece:

• Alta mobilidade de elétrons
• Alta densidade de potência
• Performance de alta frequência
• Redução do consumo de energia

Estas vantagens tornam o GaN particularmente adequado para sistemas de comunicação sem fio de próxima geração.

IA e aplicações de comunicação

• 5G e futuras redes 6G
• Comunicações por satélite
• Sistemas de radar de matriz de fases
• Módulos de RF front-end
• Fontes de alimentação de alta densidade

Por que o GaN é importante

Em comparação com os materiais semicondutores convencionais, os dispositivos GaN podem operar a frequências mais elevadas, mantendo uma excelente eficiência,permitir comunicações mais rápidas e fiáveis para redes baseadas em IA.

Fósforo de ídio (InP) para interconexões ópticas

À medida que os clusters de IA aumentam para dezenas de milhares de aceleradores, as interconexões elétricas tornam-se cada vez mais um gargalo de desempenho.A comunicação óptica emergiu como a solução preferida para a transmissão de dados de largura de banda elevada.

O fosfeto de ínio é um dos materiais de substrato mais importantes para componentes de comunicação óptica de alta velocidade.

Principais aplicações

• Transmissores ópticos
• Laser EML
• Integração de fotônica de silício
• Óptica em embalagem conjunta (CPO)
• Redes ópticas de centros de dados

Vantagens do InP

• Semicondutores directos de banda
• Excelente eficiência de emissão óptica
• Capacidade de modulação de alta velocidade
• Compatibilidade com dispositivos de comunicação óptica

Os módulos ópticos modernos 800G, 1.6T e futuros 3.2T dependem fortemente de tecnologias laser baseadas em InP para suportar os requisitos de largura de banda maciça dos clusters de computação de IA.

CVD Diamond para gestão térmica avançada

O calor tornou-se uma das barreiras mais significativas para o crescimento do desempenho da IA.

Os modernos aceleradores de IA geram enormes cargas térmicas, e os materiais de refrigeração tradicionais estão a aproximar-se dos seus limites físicos.

O diamante CVD está a atrair uma atenção significativa como um material avançado de gestão térmica devido à sua extraordinária condutividade térmica.

Comparação da condutividade térmica

O diamante CVD pode conduzir calor aproximadamente:

• 5 vezes melhor que o cobre
• 4×5 vezes melhor que o SiC.
• Mais de 10 vezes melhor que o silício.

Aplicações de refrigeração de IA

• Dispersores de calor de GPU
• Discos de calor avançados
• Gestão térmica a nível do chip
• Dispositivos fotónicos de alta potência
• Refrigeração de RF e electrónica de potência

À medida que os processadores de IA continuam a aumentar a densidade de energia, soluções térmicas baseadas em diamantes podem se tornar essenciais para manter uma operação confiável e maximizar o desempenho.

Comparando os quatro principais materiais de semicondutores de IA

Juntos, estes materiais formam a base da infraestrutura de IA da próxima geração.

Perspectivas para o futuro

A revolução da IA está a impulsionar a procura muito além das tecnologias tradicionais de semicondutores.e uma gestão térmica mais eficaz.

Como resultado, materiais semicondutores avançados como carburo de silício, nitruro de gálio, fosfeto de ínio,e CVD diamante devem desempenhar papéis cada vez mais importantes na habilitação da próxima geração de sistemas de IA.

Para os fabricantes de semicondutores, instituições de investigação e desenvolvedores tecnológicos, estes materiais representam algumas das áreas de inovação mais promissoras da próxima década.