A medida que se intensifica la carrera de la IA, el consumo de energía de los chips GPU-de gama alta sigue aumentando drásticamente. El consumo de energía de una sola tarjeta-NVIDIA H100 alcanza los 700 W, la nueva serie Blackwell lo eleva a 1000-1400 W y la última GPU con arquitectura Vera Rubin tiene un consumo máximo de energía que supera los 2300 W. Estos niveles de potencia extremos se han convertido en un cuello de botella central para el desarrollo de chips de IA de próxima generación.
Actualmente, la refrigeración líquida y la refrigeración por inmersión se adoptan ampliamente en la industria para la gestión térmica a nivel de servidor. Sin embargo, estos enfoques no pueden resolver el problema fundamental de la acumulación de calor localizada cerca del chip. Los puntos calientes persistentes provocan una limitación de la frecuencia y una degradación del rendimiento, lo que limita gravemente la capacidad de los chips de IA de alta gama. La tecnología de disipación de calor basada en diamantes ha surgido como una vía eficaz para superar este desafío.
Un error común en el mercado es que la principal ventaja del diamante es simplemente su alta conductividad térmica. En realidad, la principal competitividad del diamante reside en su doble capacidad: una conductividad térmica ultraalta combinada con una excelente expansión térmica que se adapta a los materiales de los chips-una combinación que los materiales tradicionales como el cobre, la plata y el carburo de silicio no pueden lograr fácilmente.
Los datos clave muestran que el diamante monocristalino CVD tiene una conductividad térmica superior a 2000 W/(m·K), y las versiones purificadas isotópicamente superan los 3000 W/(m·K)-alrededor de cinco veces la del cobre convencional. Aún más importante, el diamante ofrece una excelente compatibilidad térmica: su coeficiente de expansión térmica (CTE) es de sólo 1,0 a 1,1 ppm/K, muy similar a los 2,6 ppm/K del silicio, lo que da como resultado un desajuste térmico de sólo 1,5 ppm/K. Por el contrario, el cobre, comúnmente utilizado en la industria, tiene un CTE de 16,5 a 17 ppm/K, lo que da una discrepancia con el silicio de aproximadamente 14 ppm/K-un orden de magnitud mayor que el del diamante.
Los chips de IA actuales generalmente adoptan procesos de apilamiento 2,5D y 3D, que concentran densamente las fuentes de calor entre capas y empeoran la diafonía térmica. Las estructuras a base de cobre, con su gran desajuste térmico, experimentan expansión y contracción continua bajo ciclos de temperatura repetidos, lo que fácilmente causa fatiga en las uniones de soldadura y grietas interfaciales-que comprometen significativamente la confiabilidad y la vida útil del chip. Diamond, gracias a su muy bajo desajuste térmico, reduce fundamentalmente el estrés térmico en las interfaces del chip y evita riesgos de fallas en el empaque, lo que lo alinea bien con las tendencias de evolución de los chips de IA de alta gama.
El diamante policristalino alcanza una conductividad térmica de 1000 a 2200 W/(m·K) con el mismo CTE que el diamante monocristalino y se puede producir en tamaños grandes a menor costo, lo que lo hace adecuado para su implementación a gran escala como disipadores de calor en servidores de IA. Los compuestos de diamante y cobre ofrecen una conductividad térmica de 500 a 650 W/(m·K), con CTE ajustable y buena maquinabilidad-un compromiso rentable que resuelve el dilema tradicional de "alta conductividad térmica pero poca compatibilidad de chips".
A pesar de estas destacadas ventajas materiales, la adopción industrial todavía enfrenta dos desafíos técnicos centrales.
Primero, la resistencia térmica interfacial. Existe la idea errónea de que cualquier material que contenga diamante ofrece automáticamente una refrigeración cinco veces mejor que el cobre. En realidad, los procesos de unión deficientes pueden crear una resistencia térmica interfacial muy alta, anulando la conductividad superior inherente del diamante y socavando gravemente el rendimiento de disipación de calor. En segundo lugar, mecanizado de ultraprecisión y composición interfacial. La extrema dureza del diamante requiere equipos y procesos especializados para todos los pasos de precisión, lo que eleva la barrera del procesamiento. Además, la débil unión interfacial entre el diamante y el cobre requiere técnicas de modificación de la interfaz, como el recubrimiento de titanio o tungsteno, para lograr una composición estable y garantizar un funcionamiento confiable a largo plazo.
El consumo de energía actual de los chips de IA está creciendo a un ritmo de "triplicarse en tres años", y la adopción generalizada del apilamiento 3D ha hecho que la acumulación de calor entre capas y los puntos calientes localizados sean cada vez más prominentes. Estos puntos calientes son la causa principal de la degradación del rendimiento y la reducción forzada de la frecuencia. Es importante aclarar que la difusión de calor con diamante y el enfriamiento líquido no son sustitutos sino soluciones complementarias: el diamante sirve para aplanar los flujos de calor locales extremos y eliminar la acumulación de puntos calientes-abordando la concentración de calor en las uniones cercanas-mientras que el enfriamiento líquido elimina el calor distribuido uniformemente del sistema, completando el rechazo de calor del extremo lejano.
La cadena industrial nacional de disipación de calor de diamantes muestra un patrón de fortaleza en las materias primas ascendentes, pero una relativa debilidad en los procesos centrales descendentes. En cuanto al crecimiento de los diamantes sintéticos, las capacidades técnicas de China para el diamante policristalino de gran superficie están a la par, o en algunas métricas incluso por delante, de sus homólogos extranjeros. Sin embargo, siguen existiendo lagunas en tecnologías clave posteriores, como la unión directa sin soldadura a nivel de oblea y el control preciso de procesos de baja resistencia térmica.
En términos de costo, el alto consumo de electricidad de los equipos MPCVD es la principal presión de costos para la producción en masa. Para abordar esto, empresas nacionales líderes como SF Diamond, Huanghe Whirlwind y Huifeng Diamond están construyendo estratégicamente capacidad de producción en regiones con bajos precios de electricidad, como Xinjiang y Mongolia Interior, aprovechando energía barata, equipos de producción de grandes cámaras y desarrollos de procesos patentados para reducir continuamente los costos de fabricación.
En general, dada la tendencia de un consumo de energía cada vez mayor en los chips de IA, los materiales tradicionales de disipación de calor a base de cobre han alcanzado sus límites de rendimiento físico y difícilmente pueden satisfacer las demandas de los chips de alta gama de próxima generación. Diamond, con su combinación única de conductividad térmica ultraalta y baja discordancia térmica, se destaca como una solución eficaz de gestión térmica para chips de IA avanzados.