ડાયમંડ થર્મલ મેનેજમેન્ટ: AI ચિપ હીટ પડકારોને ઉકેલવાની ચાવી

AI કમ્પ્યુટિંગમાં છુપાયેલ અવરોધ

2026 માં, AI કમ્પ્યુટિંગ ફક્ત પ્રોસેસિંગ પાવર સુધી મર્યાદિત નથી. વાસ્તવિક અવરોધ એ છે કે ગરમીનું વિસર્જન.

આધુનિક ઉચ્ચ-પ્રદર્શન GPUs ઓળંગી શકે છે પ્રતિ ચિપ 2000W, જ્યારે ગરમીના પ્રવાહની ઘનતા ૧૦૦૦ વોટ/સેમી²આ સ્તરે, કોપર હીટ સિંક, એલ્યુમિનિયમ સ્ટ્રક્ચર્સ અને લિક્વિડ કૂલિંગ જેવા પરંપરાગત કૂલિંગ સોલ્યુશન્સ તેમની ભૌતિક મર્યાદાની નજીક પહોંચી રહ્યા છે.

પરિણામે, થર્મલ મેનેજમેન્ટ આગામી પેઢીના AI હાર્ડવેરમાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ પડકારોમાંનો એક બની ગયો છે.

આનાથી ઉદ્યોગમાં એક પ્રગતિશીલ સામગ્રીમાં મજબૂત રસ જાગી રહ્યો છે: હીરા.

ડાયમંડ કેમ?

હીરા માત્ર સૌથી કઠણ પદાર્થ નથી, પણ પ્રકૃતિના શ્રેષ્ઠ થર્મલ વાહકોમાંનો એક છે.

તેની થર્મલ વાહકતા પહોંચે છે ૨૦૦૦–૨૬૦૦ વોટ/(મી·કે):

• તાંબા કરતાં ~5× વધારે
• એલ્યુમિનિયમ કરતાં ~૧૦× વધારે
• સિલિકોન કરતાં ~૧૩× વધારે

હીરામાં ગરમી મુખ્યત્વે આના દ્વારા ટ્રાન્સફર થાય છે ફોનોન્સ (જાળીના સ્પંદનો), તેની મજબૂત sp³ સહસંયોજક રચના દ્વારા સક્ષમ.

ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા ઉપરાંત, હીરા ત્રણ મુખ્ય ફાયદા પણ આપે છે:

• ઓછું થર્મલ વિસ્તરણ→ Si, SiC અને GaN સાથે સુસંગત
• ઇલેક્ટ્રિકલ ઇન્સ્યુલેશન→ સિગ્નલ હસ્તક્ષેપ ટાળે છે
• ઉચ્ચ સ્થિરતા→ આત્યંતિક પરિસ્થિતિઓમાં વિશ્વસનીય

આ સંયોજન હીરાને અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર થર્મલ મેનેજમેન્ટ માટે આદર્શ બનાવે છે.

ગરમી વ્યવસ્થાપન શા માટે મહત્વનું છે

થર્મલ કામગીરી સીધી ચિપની વિશ્વસનીયતાને અસર કરે છે.

ઉદ્યોગ ડેટા દર્શાવે છે:

• દરેક ૧°C નો વધારોવિશ્વસનીયતા લગભગ ઘટાડી શકે છે ૫% 
• ઉચ્ચ નિષ્ફળતાનું જોખમ ઉપર થાય છે ૭૦-૮૦° સે
• ઉપર ૫૦% ઇલેક્ટ્રોનિક નિષ્ફળતાઓઓવરહિટીંગ સાથે સંબંધિત છે

ઘણા કિસ્સાઓમાં, કમ્પ્યુટિંગ પાવર વધારવા કરતાં ઠંડક કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવો વધુ મહત્વપૂર્ણ છે.

આ જ કારણ છે કે ડાયમંડ થર્મલ સોલ્યુશન્સનો ઉપયોગ પહેલાથી જ થાય છે અવકાશ, સંરક્ષણ અને ઉપગ્રહ પ્રણાલીઓ, જ્યાં વિશ્વસનીયતા મહત્વપૂર્ણ છે.

ત્રણ મુખ્ય ડાયમંડ થર્મલ ટેકનોલોજીઓ

૧.હીરા/તાંબાના મિશ્રણ (મોટા પાયે ઉત્પાદનનો તબક્કો)

આ હાલમાં સૌથી વધુ વ્યાપારીકૃત ઉકેલ છે.

હીરાના કણોને તાંબા અથવા એલ્યુમિનિયમમાં જડિત કરીને ઉચ્ચ-પ્રદર્શનવાળા કમ્પોઝિટ બનાવવામાં આવે છે.

કામગીરી:

• થર્મલ વાહકતા: ૫૦૦–૧૦૦૦ વોટ/(મી·કે)

અરજીઓ:

• EV પાવર મોડ્યુલ્સ
• સર્વર પાવર સિસ્ટમ્સ
• હાઇ-પાવર એલઇડી

ખર્ચ અને કામગીરીના સંતુલનને કારણે આ માર્ગ પ્રારંભિક મોટા પાયે ઔદ્યોગિક દત્તક તરફ દોરી રહ્યો છે.

2.CVD ડાયમંડ હીટ સ્પ્રેડર્સ (હાઇ-એન્ડ AI સોલ્યુશન)

CVD (કેમિકલ વેપર ડિપોઝિશન) હીરા સૌથી વધુ થર્મલ કામગીરી પૂરી પાડે છે.

કામગીરી:

• સુધી ૨૨૦૦ વોટ/(મી·કે)(સિંગલ-ક્રિસ્ટલ ડાયમંડ)

મુખ્ય વિશેષતાઓ:

• અતિ-ઉચ્ચ શુદ્ધતા
• ઉત્તમ ગરમી ફેલાવવાની ક્ષમતા
• અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર પેકેજિંગ સાથે સુસંગત

અરજીઓ:

• AI GPU અને HPC ચિપ્સ
• RF અને GaN ઉપકરણો
• અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર પેકેજિંગ

૨૦૨૬ માં, 8-ઇંચ સીવીડી ડાયમંડ હીટ સ્પ્રેડર ઉત્પાદન લાઇનઔદ્યોગિક સ્તરે ઉત્પાદનમાં પ્રવેશ કર્યો, જે એક મહત્વપૂર્ણ વ્યાપારીકરણ સીમાચિહ્નરૂપ છે.

૩.ચિપ-લેવલ ડાયમંડ ઇન્ટિગ્રેશન (ભવિષ્યની દિશા)

લાંબા ગાળાનો ધ્યેય વૃદ્ધિ અથવા બંધન તકનીકો દ્વારા હીરાને સીધા ચિપ્સમાં એકીકૃત કરવાનો છે.

આ થર્મલ ઇન્ટરફેસ પ્રતિકારને દૂર કરશે અને ચિપ કોરમાંથી સીધી ગરમી નિષ્કર્ષણને સક્ષમ બનાવશે.

જોકે, પડકારો રહે છે:

• સિલિકોન અને GaN સાથે સામગ્રીનો મેળ ખાતો નથી
• જટિલ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ
• ઊંચો ઉત્પાદન ખર્ચ

આ હોવા છતાં, પ્રારંભિક સંશોધન પહેલાથી જ બતાવી ચૂક્યું છે 20°C થી વધુ તાપમાનમાં ઘટાડો, મજબૂત સંભાવના સાબિત કરી રહ્યા છે.

એપ્લિકેશન્સનું વિસ્તરણ

એઆઈ અને ડેટા સેન્ટર્સ

AI ચિપ્સ ભારે ગરમીનો ભાર ઉત્પન્ન કરે છે. ડાયમંડ થર્મલ મટિરિયલ્સ ઓપરેટિંગ તાપમાનમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરી શકે છે અને સિસ્ટમ સ્થિરતામાં સુધારો કરી શકે છે.

ઇલેક્ટ્રિક વાહનો

EV માં પાવર મોડ્યુલ્સ (SiC અને IGBT) ને કાર્યક્ષમ ગરમીના વિસર્જનની જરૂર પડે છે. ઇન્વર્ટર સિસ્ટમમાં ડાયમંડ કમ્પોઝિટનું વધુને વધુ પરીક્ષણ થઈ રહ્યું છે.

5G અને RF ઉપકરણો

બેઝ સ્ટેશનોમાં હાઇ-પાવર GaN ઘટકોને સુધારેલા થર્મલ નિયંત્રણ માટે ડાયમંડ સબસ્ટ્રેટનો લાભ મળે છે.

એરોસ્પેસ અને ઉપગ્રહો

આત્યંતિક પરિસ્થિતિઓમાં તેની અજોડ વિશ્વસનીયતાને કારણે, હીરાનો ઉપયોગ પહેલાથી જ અવકાશ પ્રણાલીઓમાં થાય છે.

પડકારો અને ખર્ચ અવરોધો

મજબૂત કામગીરીના ફાયદા હોવા છતાં, ડાયમંડ થર્મલ ટેકનોલોજી હજુ પણ પડકારોનો સામનો કરે છે:

• ઊંચી કિંમત(હાલમાં 10-20× કોપર સોલ્યુશન)
• જટિલ પ્રક્રિયા(લેસર કટીંગ અને માઇક્રોમશીનિંગ જરૂરી)
• સ્કેલિંગમાં મુશ્કેલીમોટા વિસ્તારના સમાન ઉત્પાદન માટે

જોકે, ખર્ચ ઘટી રહ્યો છે કારણ કે:

• સીવીડી સાધનોનું સ્થાનિકીકરણ
• સુધારેલ ડિપોઝિશન કાર્યક્ષમતા
• ઉત્પાદન સ્કેલ વધારવો
• AI-ઓપ્ટિમાઇઝ્ડ પ્રક્રિયા નિયંત્રણ