डायमंड थर्मल मॅनेजमेंट: एआय चिपमधील उष्णतेच्या आव्हानांवर तोडगा काढण्याची गुरुकिल्ली

एआय संगणनातील लपलेला अडथळा

२०२६ मध्ये, एआय संगणन केवळ प्रक्रिया क्षमतेपुरते मर्यादित राहणार नाही. खरा अडथळा हा आहे की उष्णता उत्सर्जन...

आधुनिक उच्च-कार्यक्षमता जीपीयू मर्यादेपलीकडे जाऊ शकतात २००० वॅट प्रति चिपजेव्हा उष्णता प्रवाह घनता पोहोचते १००० वॅट/सेमी²या पातळीवर, तांब्याचे हीट सिंक, ॲल्युमिनियमच्या रचना आणि लिक्विड कूलिंग यांसारख्या पारंपरिक कूलिंग पद्धती त्यांच्या भौतिक मर्यादा गाठत आहेत.

परिणामी, थर्मल मॅनेजमेंट हे पुढच्या पिढीच्या एआय हार्डवेअरमधील सर्वात महत्त्वाच्या आव्हानांपैकी एक बनले आहे.

यामुळे एका क्रांतिकारक सामग्रीमध्ये उद्योगाची तीव्र रुची निर्माण होत आहे: हिरा...

डायमंडच का?

हिरा हा केवळ ज्ञात असलेला सर्वात कठीण पदार्थच नाही, तर निसर्गातील सर्वोत्तम उष्णता वाहकांपैकी एक आहे.

त्याची औष्णिक वाहकता पोहोचते २०००–२६०० वॅट/(मीटर·केल्विन):

• तांब्यापेक्षा सुमारे ५ पट जास्त
• ॲल्युमिनियमपेक्षा सुमारे १० पट जास्त
• सिलिकॉनपेक्षा सुमारे १३ पट जास्त

हिऱ्यामधील उष्णता प्रामुख्याने याद्वारे हस्तांतरित होते फोनॉन (जाळी कंपने)त्याच्या मजबूत sp³ सहसंयुजी संरचनेमुळे हे शक्य होते.

उच्च औष्णिक वाहकतेव्यतिरिक्त, हिऱ्याचे आणखी तीन महत्त्वाचे फायदे आहेत:

• कमी औष्णिक विस्तार→ Si, SiC, आणि GaN शी सुसंगत
• विद्युतरोधक→ सिग्नलमधील व्यत्यय टाळते
• उच्च स्थिरता→ अत्यंत प्रतिकूल परिस्थितीतही विश्वसनीय

या संयोजनामुळे हिरा प्रगत सेमीकंडक्टर थर्मल मॅनेजमेंटसाठी आदर्श ठरतो.

उष्णता व्यवस्थापन का महत्त्वाचे आहे

औष्णिक कार्यक्षमतेचा थेट परिणाम चिपच्या विश्वसनीयतेवर होतो.

उद्योग क्षेत्रातील आकडेवारी दर्शवते की:

• प्रत्येक १°C वाढविश्वसनीयता सुमारे कमी करू शकते ५% 
• उच्च अपयशाचा धोका याच्या वर उद्भवतो ७०–८०°C
• वर ५०% इलेक्ट्रॉनिक बिघाडअतिउष्णतेशी संबंधित आहेत

बऱ्याच प्रकरणांमध्ये, प्रत्यक्ष संगणकीय शक्ती वाढवण्यापेक्षा शीतकरणाची कार्यक्षमता सुधारणे अधिक महत्त्वाचे असते.

यामुळेच डायमंड थर्मल सोल्युशन्सचा वापर आधीपासूनच केला जातो एरोस्पेस, संरक्षण आणि उपग्रह प्रणालीजिथे विश्वसनीयता अत्यंत महत्त्वाची असते.

तीन मुख्य डायमंड थर्मल तंत्रज्ञान

१. हिरा/तांबे संयुक्त (मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादन टप्पा)

सध्या हा सर्वात जास्त व्यापारीकरण झालेला उपाय आहे.

उच्च-कार्यक्षमता असलेले संमिश्र तयार करण्यासाठी तांबे किंवा ॲल्युमिनियममध्ये हिऱ्याचे कण अंतर्भूत केले जातात.

कामगिरी:

• औष्णिक वाहकता: ५००–१००० वॅट/(मीटर·केल्विन)

अनुप्रयोग:

• ईव्ही पॉवर मॉड्यूल्स
• सर्व्हर पॉवर सिस्टम्स
• उच्च-शक्तीचे एलईडी

खर्च आणि कार्यक्षमता यांच्यातील संतुलनामुळे हा मार्ग मोठ्या प्रमाणावर औद्योगिक स्तरावर लवकर स्वीकारला जात आहे.

२. सीव्हीडी डायमंड हीट स्प्रेडर्स (हाय-एंड एआय सोल्यूशन)

सीव्हीडी (केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन) हिरा सर्वाधिक औष्णिक कार्यक्षमता प्रदान करतो.

कामगिरी:

• पर्यंत २२०० वॅट/(मीटर·केल्विन)(एक-स्फटिक हिरा)

प्रमुख वैशिष्ट्ये:

• अत्यंत उच्च शुद्धता
• उत्कृष्ट उष्णता पसरवण्याची क्षमता
• प्रगत सेमीकंडक्टर पॅकेजिंगशी सुसंगत

अनुप्रयोग:

• एआय जीपीयू आणि एचपीसी चिप्स
• RF आणि GaN उपकरणे
• प्रगत सेमीकंडक्टर पॅकेजिंग

२०२६ मध्ये, ८-इंच सीव्हीडी डायमंड हीट स्प्रेडर उत्पादन लाइन्सऔद्योगिक स्तरावरील उत्पादनात प्रवेश केला, जो व्यापारीकरणाचा एक महत्त्वाचा टप्पा आहे.

३. चिप-स्तरीय डायमंड एकीकरण (भविष्यातील दिशा)

वृद्धी किंवा बंधन तंत्रांचा वापर करून हिऱ्याला थेट चिप्समध्ये समाविष्ट करणे हे दीर्घकालीन ध्येय आहे.

यामुळे थर्मल इंटरफेस रेझिस्टन्स नाहीसा होईल आणि चिप कोअरमधून थेट उष्णता बाहेर काढणे शक्य होईल.

तथापि, आव्हाने कायम आहेत:

• सिलिकॉन आणि GaN सोबत सामग्रीची विसंगती
• जटिल फॅब्रिकेशन प्रक्रिया
• उच्च उत्पादन खर्च

असे असूनही, प्राथमिक संशोधनातून आधीच दिसून आले आहे की... २०°C पेक्षा जास्त तापमान घटप्रबळ क्षमता सिद्ध करत आहे.

अनुप्रयोगांचा विस्तार

एआय आणि डेटा सेंटर्स

एआय चिप्स प्रचंड उष्णता निर्माण करतात. डायमंड थर्मल मटेरियल्स कार्यरत तापमान लक्षणीयरीत्या कमी करू शकतात आणि सिस्टमची स्थिरता सुधारू शकतात.

इलेक्ट्रिक वाहने

ईव्हीमधील पॉवर मॉड्यूल्सना (SiC आणि IGBT) कार्यक्षम उष्णता वहनाची आवश्यकता असते. इन्व्हर्टर सिस्टीममध्ये डायमंड कंपोझिट्सची चाचणी वाढत्या प्रमाणात केली जात आहे.

5G आणि RF उपकरणे

बेस स्टेशनमधील उच्च-शक्तीच्या GaN घटकांना सुधारित औष्णिक नियंत्रणासाठी डायमंड सबस्ट्रेट्सचा फायदा होतो.

एरोस्पेस आणि उपग्रह

अत्यंत प्रतिकूल परिस्थितीतही अतुलनीय विश्वासार्हतेमुळे हिऱ्याचा वापर अवकाश प्रणालींमध्ये आधीपासूनच केला जातो.

आव्हाने आणि खर्चाचे अडथळे

उत्कृष्ट कार्यक्षमतेचे फायदे असूनही, डायमंड थर्मल तंत्रज्ञानासमोर अजूनही आव्हाने आहेत:

• जास्त खर्च(सध्या १०-२० पट तांब्याची द्रावणे)
• जटिल प्रक्रिया(लेझर कटिंग आणि मायक्रोमशीनिंग आवश्यक)
• स्केलिंग अडचणमोठ्या क्षेत्रातील एकसमान उत्पादनासाठी

मात्र, खालील कारणांमुळे खर्च कमी होत आहे:

• सीव्हीडी उपकरणांचे स्थानिकीकरण
• सुधारित निक्षेपण कार्यक्षमता
• उत्पादन प्रमाण वाढवणे
• एआय-अनुकूलित प्रक्रिया नियंत्रण