Per molti anni, il progresso della tecnologia dei semiconduttori è stato ampiamente descritto dai nodi di processo.

10 nm divennero 7 nm, poi 5 nm, 3 nm e architetture di transistor sempre più avanzate.

Ma man mano che gli acceleratori di intelligenza artificiale, i sistemi di calcolo ad alte prestazioni e i packaging avanzati continuano a scalare, la densità dei transistor non è più l'unico fattore che determina le prestazioni del sistema.

L'industria dei semiconduttori sta entrando in una nuova fase in cui materiali, imballaggi, interconnessioni, distribuzione di energia e gestione termica stanno diventando importanti quanto la scalabilità dei transistor.

Questa transizione sta aumentando l'interesse per una vasta gamma di materiali semiconduttori, tra cui:

• Oggetti di silicio su isolante (SOI)
• Substrati di vetro
• Carburo di silicio (SiC)
• Nitruro di gallio (GaN)
• Ceramiche a base di nitruro di alluminio (AlN)
• Ceramiche di carburo di silicio
• Materiali di dispersione termica a base di diamanti
• Altri prodotti di acciaio

Questi materiali affrontano diverse sfide ingegneristiche, ma sono sempre più collegati da un fattore comune:

I sistemi AI e HPC richiedono maggiore larghezza di banda, maggiore efficienza energetica, confezionamento più denso e migliori prestazioni termiche.

Il collo di bottiglia dei semiconduttori va oltre i transistor

I moderni processori di IA contengono enormi risorse di calcolo.

Tuttavia, l'aumento della capacità di calcolo crea anche diverse nuove limitazioni.

Due delle più importanti sono:

movimento dei dati

- e

rimozione del calore.

Un acceleratore di IA deve scambiare continuamente enormi quantità di dati con HBM, processori vicini, interfacce di rete e sistemi di archiviazione.

Allo stesso tempo, questi dispositivi generano un calore sempre più concentrato all'interno di confezioni avanzate.

Di conseguenza, il solo miglioramento delle prestazioni dei transistor non è più sufficiente.

L'intero sistema dei semiconduttori deve essere ottimizzato.

Ciò include:

• interconnessioni ottiche
• substrati avanzati
• Integrazione HBM
• conversione di potenza
• interfacce termiche
• diffusori di calore
• materiali di imballaggio

Questa transizione a livello di sistema sta creando nuove opportunità per i materiali semiconduttori che in precedenza occupavano mercati relativamente specializzati.

1La fotonica SOI sta diventando sempre più importante per le interconnessioni dell'IA

Il silicio su isolante non è un nuovo materiale semiconduttore.

I wafer SOI sono stati a lungo utilizzati per applicazioni quali:

• MEMS
• Dispositivi RF
• sensori
• circuiti integrati speciali

Tuttavia, l'infrastruttura dell'IA sta creando un'altra importante opportunità di crescita:

fotonica al silicio.

Man mano che i cluster di intelligenza artificiale diventano più grandi, le interconnessioni elettriche tradizionali affrontano sempre più sfide relative a:

• perdita di trasmissione
• consumo di energia
• densità di larghezza di banda
• integrità del segnale
• Distanza di trasmissione

Le interconnessioni in rame rimangono essenziali, ma la comunicazione ottica diventa sempre più attraente man mano che aumentano i requisiti di larghezza di banda.

Questo è uno dei motivi per cui l'ottica coperta, o CPO, ha ricevuto tanta attenzione.

Invece di affidarsi interamente alle connessioni elettriche tra processori ad alte prestazioni e moduli ottici, la CPO avvicina i motori ottici al silicio di commutazione o di calcolo.

L'obiettivo è quello di ridurre la lunghezza delle connessioni elettriche ad alta velocità e trasferire più dati otticamente.

Il SOI è una delle piattaforme di substrato più importanti per la fotonica del silicio.

Perché SOI funziona bene per la fotonica del silicio

Un wafer SOI fotonico tipico contiene:

• un strato sottile di dispositivo in silicio
• uno strato di ossido sepolto
• un wafer a maniglia di silicio

Lo strato superiore di silicio può essere modellato in guide d'onda ottiche.

L'ossido sepolto fornisce un isolamento ottico tra la guida d'onda in silicio e il substrato di silicio sottostante.

Le strutture fotoniche in silicio più comuni sono:

• guide d'onda
• di cilindrata superiore a 50 cm3
• altri apparecchi
• di potenza superiore a 50 W
• Interferometri di Mach-Zehnder
• piattaforme di integrazione di fotodetettori

In molte piattaforme fotoniche commerciali, lo strato del dispositivo in silicio è spessa solo poche centinaia di nanometri.

Ad esempio, circa 220 nm di silicio su un ossido sepolto su scala micrometrica è ampiamente utilizzato nella fotonica del silicio.

Ciò significa che i requisiti dei wafer SOI per la fotonica sono molto diversi da quelli per le applicazioni MEMS o RF convenzionali.

L'uniformità dello spessore, la qualità della superficie e il controllo BOX diventano particolarmente importanti.

I centri di dati AI potrebbero aumentare la domanda di fotonica-SOI

L'importanza della fotonica del silicio è strettamente connessa alla crescita dei data center dell'IA.

I cluster di IA richiedono una comunicazione ad altissima velocità:

dentro il server

tra gli acceleratori

tra i rack

e sempre più

La relazione è stata presentata nel corso di un'intervista al Comitato economico e sociale.

Man mano che la comunicazione elettrica si avvicina ai limiti pratici della potenza e della densità di larghezza di banda, le tecnologie di interconnessione ottica stanno assumendo una maggiore importanza.

Ciò significa che l'SOI potrebbe servire sempre più non solo i dispositivi semiconduttori tradizionali, ma anche l'infrastruttura di comunicazione ottica che circonda i processori AI.

In altre parole:

Il boom dell'intelligenza artificiale non sta solo aumentando la domanda di wafer di calcolo, ma sta anche aumentando la domanda di materiali che spostano i dati tra dispositivi di calcolo.

2I substrati in vetro si stanno avvicinando agli imballaggi avanzati

Un altro materiale che riceve sempre più attenzione è il vetro.

Il vetro è stato utilizzato in elettronica e nella produzione di semiconduttori per molti anni.

Le applicazioni comprendono:

• Wafer portanti
• MEMS
• componenti ottici
• legame temporaneo
• tecnologia di visualizzazione

Ma l' imballaggio avanzato sta creando una nuova opportunità:

Substrati di vetro e interpositori di vetro.

I pacchetti di IA moderni possono combinare:

• L'acceleratore della GPU o dell'IA si spegne
• polli multipli
• Impianti HBM
• interpositori
• Sottostati di imballaggio

Con l'aumentare delle dimensioni del pacchetto, la stabilità dimensionale diventa sempre più importante.

I materiali tradizionali di substrato organico possono affrontare sfide tra cui:

• pagina di guerra
• espansione termica
• disegno di linee fini
• controllo dimensionale di grande area

Il vetro offre diverse caratteristiche interessanti per queste applicazioni.

Perché il vetro è interessante per imballaggi avanzati

Il vetro può fornire:

• eccellente stabilità dimensionale
• coefficiente di espansione termica controllato
• superfici lisce
• buon isolamento elettrico
• compatibilità con l'elaborazione di pannelli di grandi dimensioni
• potenziale per strutture di interconnessione a passo sottile

Una delle tecnologie abilitanti più importanti è:

TGV Via vetro.

Un TGV crea connessioni elettriche attraverso lo spessore di un substrato di vetro.

Dopo la formazione, i fori possono essere metallizzati per creare interconnessioni elettriche verticali.

Questo rende il vetro potenzialmente adatto per:

• di vetro
• substrati di cristallo
• Pacchetti RF
• integrazione avanzata di chiplet
• Imballaggio dell'acceleratore AI

Tuttavia, l'imballaggio in vetro richiede più di una semplice produzione di una wafer di vetro.

L'intera catena di produzione può comprendere:

preparazione del vetro
→ sottilizzazione di precisione
→ Formazione TGV
→ metallizzazione
→ strati di ridistribuzione
→ legame
→ imballaggi avanzati

Le imprese che possono controllare l'intera catena di processo possono ottenere un valore superiore rispetto ai soli fornitori di vetro grezzo.

3HBM sta trasformando la gestione termica in un problema di materiali

La memoria ad alta larghezza di banda è diventata una delle tecnologie che definiscono l'hardware AI.

L'HBM migliora la larghezza di banda della memoria impilaendo più matrici DRAM verticalmente.

Ciò consente di spostare molti più dati tra memoria e processori rispetto alle architetture di memoria convenzionali.

Ma c' e' una conseguenza inevitabile:

L'impilazione rende più difficile la gestione termica.

Molte matrici di silicio generano calore all'interno di una struttura verticale compatta.

Allo stesso tempo, le pile HBM sono in genere posizionate molto vicino agli acceleratori AI ad alta potenza.

Un pacchetto AI avanzato può quindi contenere diverse principali fonti termiche in un'area limitata.

Le prestazioni termiche diventano un problema di progettazione a livello di pacchetto.

L'imballaggio avanzato ha bisogno di materiali migliori per la diffusione del calore

Il rame tradizionale rimane estremamente importante a causa dei suoi:

• elevata conduttività termica
• fabbricazione matura
• basso costo relativo
• buona lavorabilità

Tuttavia, i futuri pacchetti ad alta potenza potrebbero richiedere materiali con capacità aggiuntive.

I materiali potenziali includono:

• AlN ceramiche
• Ceramiche a base di SiC
• Cu-Mo
• Cu-W
• Diamante CVD
• Altri materiali di acciaio
• materiali di interfaccia termica avanzata

I parametri chiave dei materiali includono sempre più:

• conduttività termica
• coefficiente di espansione termica
• resistenza termica dell'interfaccia
• piattazza
• rigidità meccanica
• affidabilità sotto ciclo termico

Il problema termico non si risolve quindi più semplicemente collegando un dissipatore di calore più grande.

Inizia molto piu' vicino al materiale semiconduttore.

4Perché il diamante sta tornando al dibattito termico dei semiconduttori

Il diamante sta ricevendo una nuova attenzione per una proprietà eccezionale:

conduttività termica molto elevata.

Il diamante sintetico di alta qualità può condurre il calore molto più efficacemente di molti materiali convenzionali di gestione termica.

Questo rende il diamante attraente per rimuovere il calore concentrato da dispositivi ad alta potenza.

Le applicazioni potenziali includono:

• Acceleratori IA
• Processori HPC
• Dispositivi RF GaN
• di potenza inferiore o uguale a 50 W
• sistemi laser

Tuttavia, il diamante puro ha anche degli svantaggi.

Tra questi si annoverano:

• costo elevato
• lavorazione difficile
• metallizzazione difficile
• un legame difficile
• economia di grande area limitata

Di conseguenza, ricercatori e fornitori di materiali stanno sempre più esplorando soluzioni ibride.

Un esempio importante è:

Composto di diamante e rame.

Perché il rame di diamante è interessante

I compositi di diamanti e rame combinano particelle di diamanti con una matrice di rame.

L'obiettivo è quello di ottenere due proprietà contemporaneamente:

maggiore conduttività termica

- e

una diminuzione dell'espansione termica rispetto al rame convenzionale.

Questo è interessante perché l'imballaggio dei semiconduttori è spesso confrontato a un compromesso.

Il rame conduce bene il calore ma ha un coefficiente di espansione termica relativamente elevato.

I materiali a basso contenuto di CTE come il tungsteno e il molibdeno possono migliorare la stabilità dimensionale, ma spesso riducono la conduttività termica quando aggiunti al rame.

Diamond offre una possibilità diversa perché ha entrambe:

• conduttività termica estremamente elevata
• Espansione termica molto bassa

In linea di principio, i compositi di diamanti/Cu possono quindi migliorare la conduttività termica riducendo al contempo la CTE.

L'interfaccia è più importante del contenuto del diamante

Un composito di diamanti e rame non è automaticamente di elevate prestazioni solo perché contiene una grande percentuale di diamanti.

La questione più difficile è l'interfaccia tra:

diamante

- e

- Un po' di rame.

Il rame non si lega naturalmente in modo efficiente al diamante.

Un contatto interfaccia scadente può creare una sostanziale resistenza termica.

Ciò significa che il calore non può muoversi in modo efficiente da:

rame → diamante → rame.

I produttori utilizzano quindi tecniche di ingegneria delle interfacce che coinvolgono elementi che formano carburo come:

• Ti
• Cr
• W
• Mo.
• Zr

Questi elementi possono migliorare il legame tra diamante e rame.

Tuttavia, anche lo strato di interfaccia deve essere attentamente controllato.

Se diventa troppo spessa, l'interfaccia stessa può diventare una barriera termica.

Ciò illustra una tendenza importante nei materiali semiconduttori avanzati:

Le prestazioni future dipendono sempre più dall'ingegneria delle interfacce, non solo dalle proprietà dei materiali sfusi.

5Il SiC rimane un importante materiale semiconduttore

Sebbene l'IA riceva un'enorme attenzione, l'elettrificazione continua a guidare un'altra grande transizione dei semiconduttori:

l'espansione dei dispositivi di alimentazione a carburo di silicio.

Il SiC è diventato importante per applicazioni tra cui:

• veicoli elettrici
• Invertitori di trazione EV
• carica rapida
• inverter solari
• stoccaggio dell'energia
• sistemi di alimentazione industriale
• conversione di potenza ad alta tensione

Rispetto ai convenzionali dispositivi di alimentazione al silicio, il SiC può consentire:

• tensione di funzionamento superiore
• maggiore frequenza di commutazione
• minori perdite di passaggio
• funzionamento a temperatura superiore
• componenti passivi più piccoli

Ma man mano che l'industria del SiC matura, la domanda cambia.

Alcuni anni fa, la discussione si concentrava spesso su:

Il SiC può sostituire il silicio nelle applicazioni ad alta potenza?

Oggi, la domanda più pratica è:

Come si possono ridurre i costi di fabbricazione del SiC?

La produzione di SiC sta diventando una competizione di rendimento e costi

I substrati di SiC sono difficili da produrre.

Le sfide si presentano in tutta la catena di lavorazione:

• crescita cristallina
• taglio
• macinazione
• lapping
• CMP
• pulizia
• epitaxia
• ispezione dei wafer
• fabbricazione di dispositivi

Il SiC e' estremamente duro e fragile.

Ciò rende il taglio e la lucidatura dei wafer più lenti e più costosi rispetto alla lavorazione convenzionale del silicio.

I difetti del substrato possono anche influenzare il rendimento finale del dispositivo.

Man mano che il SiC si sposta verso la produzione a grandi volumi, l'attenzione si sposta sempre più verso:

• diametri di wafer più grandi
• qualità cristallina superiore
• minore densità di difetti
• riduzione della perdita di taglio
• lucidatura più rapida
• miglioramento della piattezza dei wafer
• miglior rendimento di processo

Ciò significa che le opportunità esistono non solo nei wafer SiC stessi, ma in tutta la catena di approvvigionamento di materiali e attrezzature SiC.

6La GaN sta trovando nuove opportunità nei sistemi di alimentazione dell'IA

Il nitruro di gallio è un altro importante semiconduttore a banda larga.

Il GaN è particolarmente interessante quando:

• alta frequenza di commutazione
• elevata efficienza
• conversione di potenza compatta

sono importanti.

I data center di IA consumano enormi quantità di elettricità.

La riduzione delle perdite di conversione di potenza in tutta l'architettura del server e del rack è quindi sempre più preziosa.

Dispositivi GaN possono essere utilizzati in applicazioni di conversione di potenza ad alta frequenza tra cui:

• alimentatori per server
• Convertitori di corrente continua
• con una capacità di accensione superiore a 50 W
• sistemi di alimentazione per telecomunicazioni

Questo crea un'altra importante connessione tra IA e materiali semiconduttori.

La domanda di IA non crea solo domanda di processori.

Aumenta anche la domanda di elettronica di potenza necessaria per far funzionare efficacemente tali processori.

SiC e GaN sono più complementari che competitivi

SiC e GaN sono spesso presentati come tecnologie di semiconduttori concorrenti.

In pratica, esse riguardano spesso diverse parti del mercato dell'elettronica di potenza.

Il SiC ha prestazioni particolarmente buone in:

• applicazioni ad alta tensione
• sistemi ad alta potenza
• trazione per autoveicoli
• rete e energia industriale

Il GaN è molto interessante per:

• commutazione ad alta frequenza
• altri apparecchi per la trasmissione di energia elettrica
• applicazioni a bassa e media tensione
• elettronica di potenza per data center

Il futuro mercato dei semiconduttori di potenza utilizzerà quindi probabilmente:

silicio + SiC + GaN

Invece di selezionare un unico materiale universale.

7La ceramica dei semiconduttori sta diventando sempre più importante.

Un'altra categoria meno visibile ma sempre più importante sono i materiali ceramici avanzati.

Le apparecchiature per semiconduttori si basano su ceramiche di precisione per componenti quali:

• confezionamento a base di materie plastiche
• piastre di riscaldamento
• componenti isolanti
• parti di camere plasmatiche
• portatori di wafer
• fasi di precisione
• componenti a vuoto

Tra i materiali importanti figurano:

• Alumina
• Nitruro di alluminio
• Carburo di silicio
• Nitruro di silicio
• Yttria

Ogni materiale risolve un problema di ingegneria diverso.

Alumina

Alumina offre:

• eccellente isolamento elettrico
• buona resistenza chimica
• alta durezza
• trasformazione matura
• costi relativamente controllati

Rimane una delle ceramiche tecniche più utilizzate.

Nitruro di alluminio

L'AlN è particolarmente attraente quando entrambi:

isolamento elettrico

- e

elevata conduttività termica

sono richiesti.

Questo lo rende utile per:

• di una lunghezza non superiore a 50 mm
• componenti di riscaldamento
• strutture di gestione termica
• imballaggio elettronico

SiC ceramica

La ceramica SiC fornisce:

• elevata rigidità
• elevata conduttività termica
• bassa espansione termica
• eccellente resistenza all'usura
• stabilità ad alta temperatura

Queste caratteristiche lo rendono attraente per i componenti di apparecchiature semiconduttrici che devono rimanere dimensionalmente stabili in condizioni termiche mutevoli.

L'IA sta collegando mercati dei materiali precedentemente separati

Una delle tendenze più interessanti dei semiconduttori è che i materiali che un tempo appartenevano a industrie relativamente separate stanno diventando parte dello stesso sistema.

Consideriamo una piattaforma di elaborazione avanzata di IA.

Può richiedere:

S.O.I

per la fotonica del silicio e la comunicazione ottica.

Vetro

per l'imballaggio avanzato di nuova generazione.

HBM

per la memoria ad alta larghezza di banda.

Ceramiche AlN o SiC

per apparecchiature di gestione termica e semiconduttori.

Materiali a base di diamanti

per la diffusione di calore estremo.

GaN

per la conversione di potenza ad alta efficienza del data center.

SiC

per le infrastrutture energetiche ad alta potenza.

Questi materiali svolgono funzioni completamente diverse.

Ma l'intelligenza artificiale li sta collegando attraverso gli stessi requisiti di ingegneria:

• più larghezza di banda
• maggiore integrazione
• maggiore efficienza energetica
• resistenza termica inferiore

Dalla scalabilità dei processi alla scalabilità del sistema

L'industria dei semiconduttori sta quindi entrando in una forma più ampia di scalabilità.

La scalazione tradizionale si concentrava principalmente sul rendere i transistor più piccoli.

I futuri miglioramenti delle prestazioni dipendono sempre più da:

**scalabilità dei transistor

• Scalazione degli imballaggi
• Scalazione della memoria
• scaling ottico
• scalazione di potenza
• Scalazione termica**

Questo è il motivo per cui i materiali avanzati stanno diventando strategicamente importanti.

Un transistor più veloce offre un beneficio limitato se i dati non possono raggiungerlo rapidamente.

Un acceleratore IA più grande fornisce un beneficio limitato se si surriscalda.

Più HBM offre un beneficio limitato se la densità di imballaggio diventa impossibile da gestire.

Imballaggi e materiali avanzati stanno diventando parte dell'equazione delle prestazioni.

Quali materiali semiconduttori dovrebbe seguire l'industria?

Diverse categorie meritano particolare attenzione.

Fotonica SOI

Azionato da fotonica al silicio, comunicazione ottica ad alta velocità e CPO.

Substrati di vetro

Azionato da chiplets, HBM, confezionamento avanzato su larga superficie e tecnologia TGV.

SiC

Azionati da veicoli elettrici, energia industriale, energie rinnovabili ed elettronica ad alta tensione.

GaN

Azionato da conversione di potenza ad alta frequenza ed efficienza del data center.

Ceramiche ad alta conduttività termica

Azionato da densità di potenza e avanzata attrezzatura semiconduttrice.

Materiali termici a base di diamanti

Azionato da un flusso di calore estremo in AI, RF e dispositivi ad alta potenza.

Questi materiali non sostituiranno il silicio.

Invece, circonderanno sempre più il silicio e gli permetteranno di continuare a scalare a livello di sistema.

Conclusioni

La rivoluzione dei semiconduttori dell'IA sta diventando una rivoluzione dei materiali.

Per decenni, la domanda piu' importante del settore e' stata:

Quanto possiamo ridurre il transistor?

Questa domanda rimane importante.

Ma non è più sufficiente.

La prossima generazione di sistemi a semiconduttori deve anche rispondere:

Quanto velocemente i dati possono muoversi?

Quanto strettamente possono essere integrate le matrici multiple?

Quanto efficientemente può essere convertita l'energia?

Quanto velocemente si può rimuovere il calore?

Queste questioni stanno aumentando l'importanza delle onde SOI, dei substrati di vetro, del SiC, del GaN, della ceramica avanzata e dei materiali termici a base di diamanti.

Il futuro delle prestazioni dei semiconduttori dipenderà quindi non solo da chip migliori, ma da materiali migliori che circondano tali chip.

La fase successiva della concorrenza può essere definita meno da una singola scoperta di materiale e più dalla capacità di integrare più materiali specializzati in un unico sistema ad alte prestazioni.

Nell'era dell'IA, l'innovazione dei semiconduttori va oltre il semplice ridimensionamento dei chip.

Si tratta sempre più di consentire ai chip di comunicare più velocemente, di confezionare più densamente, di consumare energia in modo più efficiente e di operare a temperature più basse.