A garganta do poder de computação da IA está sendo sufocada pormateriais.
O CEO da Intel, Lip{0}}Bu Tan, nomeou diamante, carboneto de silício (SiC), fosfeto de índio (InP), nitreto de gálio (GaN) e substratos de vidro como cinco materiais essenciais para quebrar o gargalo. Enquanto isso, especialistas do setor alertaram sem rodeios: "A capacidade insuficiente de produção de laser InP é o principal ponto de estrangulamento para a óptica co-embalada (CPO)."
Isso significa que não importa quão poderosos sejam os chips GB200/300 da Nvidia, sem o suporte de materiais avançados, os dados simplesmente não podem fluir em alta velocidade.
Esta não é apenas uma questão de capacidade – é um desafio que ultrapassa os limites da ciência dos materiais. Desde fornecimento de energia SiC/GaN e embalagens de substrato-de vidro (conforme destacado por Tan) até niobato de lítio e SOI para soluções de interconexão óptica e substratos de diamante e cerâmica para dissipação de calor sob cargas de energia extremas,materiaistornaram-se o campo de batalha invisível na segunda metade da IA. Quem avançar primeiro terá a chave para o domínio da computação.
Diamante
À medida que o poder de computação da IA acelera a uma velocidade vertiginosa, a dissipação de calor em-chips de última geração se torna cada vez mais severa. Espera-se que o Rubin Ultra da Nvidia, por exemplo, exceda 2.300 W por chip, com densidades de fluxo de calor local ultrapassando 1.000 W/cm² – um nível de calor quase inimaginável. Os tradicionais dissipadores de calor de cobre e alumínio estão atingindo seus limites físicos. O diamante, com sua ultra{8}}condutividade térmica, emergiu como um dos principais candidatos entre os novos materiais semicondutores.
Amplamente conhecido pela sua extrema dureza – a substância natural mais dura, com uma dureza Mohs de 10 – o diamante é também um dos melhores condutores térmicos da natureza, com uma condutividade térmica de até 2.200 W/(m·K), 5,5 vezes a do cobre e 11 vezes a do alumínio. É também um isolante elétrico e seu coeficiente de expansão térmica é muito semelhante ao do silício, SiC e GaN. Observadores da indústria notaram: quando a potência de um-chip único excede 1.400 W, o diamante não é mais uma “opção” – ele se torna uma “necessidade”.
As GPUs de arquitetura Vera Rubin de próxima{0}}geração da Nvidia adotaram totalmente uma solução de "resfriamento líquido de contato direto de + 45 graus de material composto de cobre e diamante", e a indústria até marcou 2026 como o "primeiro ano de adoção de dissipação de calor de diamante em grande-escala".
Carboneto de Silício (SiC)
A potência dos racks de data center de IA está aumentando de dezenas de quilowatts para centenas de quilowatts, com racks em escala de megawatts-no horizonte. À medida que os níveis de corrente e tensão aumentam, a conversão de energia tradicional-baseada em silício sofre perdas surpreendentes. Além disso, a IA exige materiais que dissipem o calor rapidamente, consumam menos energia, ocupem espaço mínimo e suportem altas temperaturas.
O SiC oferece alta tensão de ruptura, desempenho estável em altas temperaturas e perdas de comutação muito inferiores às do silício. Seu tamanho compacto do dispositivo e excelente confiabilidade o tornam a escolha ideal para arquiteturas de alta-tensão CC (HVDC) de 800 V, alcançando eficiências acima de 97% em estágios de retificação de entrada de alta-tensão e correção de fator de potência (PFC), além de reduzir as perdas de transmissão em mais de 30% em sistemas HVDC de 800 V. Novos data centers construídos pela Nvidia, Microsoft e outros gigantes da tecnologia já adotaram arquiteturas de energia baseadas em SiC-como padrão. Fabricantes nacionais chineses, como a TankeBlue Semiconductor, estão acelerando o substrato de 8 polegadas e a produção em massa epitaxial para reduzir os custos dos wafers.
Nitreto de gálio (GaN)
GaN e SiC formam uma divisão clara de "alta-tensão vs. baixa-tensão": o SiC permanece na sala do servidor, enquanto o GaN se move para os racks.
GaN apresenta alta mobilidade de elétrons e densidade de potência excepcional, destacando-se em conversão de energia de alta-frequência, baixa-tensão e alta{2}}densidade. Em módulos de potência de GPU, conversores CC-de alta{4}frequência e fontes de alimentação de servidores (onde o espaço e a velocidade de resposta são essenciais), o GaN pode reduzir o tamanho da fonte de alimentação e, ao mesmo tempo, aumentar a densidade de potência. O processo GaN de 8- polegadas da Samsung já alcançou uma redução de custos de 30% e está acelerando sua adaptação para implantação de data centers em grande escala.
Fosfeto de índio (InP)
O fosfeto de índio é insubstituível: é o único material de substrato de-produção em massa para chips de laser e fotodetectores, combinando perfeitamente com as janelas de baixa-perda de 1310 nm e 1550 nm da comunicação de fibra-óptica. No domínio do CPO, a abordagem convencional do setor integra motores ópticos e chips elétricos no mesmo substrato, e os dispositivos emissores de luz de alta-velocidade-no núcleo do CPO dependem 100% dos lasers InP.
Voltando ao aviso daquele executivo do setor: por trás dessas palavras está um conjunto rígido de números. Em 2025, a demanda global de substrato InP é estimada em 2,0-2,1 milhões de peças, enquanto a oferta efetiva é de apenas 600.000-700.000 peças – uma lacuna de oferta-de demanda superior a 70%, que deverá persistir até 2030. A Goldman Sachs emitiu uma previsão ainda mais direta: "O fornecimento de fontes de luz permanecerá restrito até 2027, e só poderá começar a se equilibrar no segundo semestre de 2028 à medida que as expansões da capacidade da cadeia de abastecimento entram em operação."
Filme fino-de niobato de lítio (TFLN)
Aproveitando o forte efeito eletro{0}óptico linear (efeito Pockels) do niobato de lítio, o niobato de lítio de-filme fino permite modulação de sinal óptico de alta-largura de banda e alta-linearidade (alta{4}}fidelidade) em baixas tensões de acionamento. Isso o torna-adequado para aplicações de transmissão óptica de média- a longa-distância e alta{9}}largura de banda, como redes de backbone e redes metropolitanas. Além disso, seu alto índice de refração e excelente confinamento óptico permitem maior integração, melhorando o tamanho do dispositivo e o consumo de energia.
Em moduladores ópticos, o niobato de lítio de filme-fino oferece um coeficiente eletro-óptico três vezes maior que o do InP e mais de cem vezes maior que o da fotônica de silício. Com apenas 1,8 V, ele pode atingir modulação de velocidade ultra{4}}alta- além de 100 GHz, reduzindo o consumo de energia em 30 a 50%, enquanto um único canal pode funcionar facilmente a 400 G.
À medida que o poder de computação da IA explode, as interconexões ópticas dos data centers estão aumentando de 400G para 800G, 1,6T e 3,2T. As limitações de desempenho dos materiais tradicionais estão se tornando cada vez mais aparentes, e o filme fino de niobato de lítio está prestes a se tornar um material crítico para a próxima geração de modulação de transmissão óptica de alta-velocidade. Atualmente, apenas quatro empresas em todo o mundo dominam os recursos de produção-em massa de wafers de alta-tecnologia de 8-polegadas, com uma lacuna entre oferta e demanda superior a 70%.
SOI (silício-no-isolador)
Se o silício é a “carne” de um chip, o SOI é o “esqueleto” da fotônica do silício. Esta estrutura sanduíche de "substrato de óxido enterrado no silício", ao inserir uma camada isolante de dióxido de silício abaixo da camada de silício, elimina completamente a diafonia entre elétrons e fótons. Reduz a capacitância parasita em mais de 60%, permitindo que os sinais elétricos funcionem de forma mais rápida e eficiente. Mais importante ainda, a grande diferença de índice de refração entre o silício superior e a camada de óxido forma naturalmente as "paredes" de um guia de ondas óptico, permitindo que os sinais ópticos se dobrem e sejam transmitidos com perda mínima no chip.
Na era da IA, o SOI é o substrato central insubstituível para a fabricação de módulos ópticos, motores CPO e chips quânticos. A capacidade de produção global está fortemente concentrada na Soitec da França, tornando a localização doméstica uma prioridade urgente.
Substratos de vidro
À medida que GPUs, HBM e empilhamento de chips impulsionam o empacotamento em direção a formatos grandes, alta densidade e interconexões de alta{0}}velocidade, os substratos orgânicos tradicionais e interpositores de silício enfrentam cada vez mais limitações em tamanho, custo e desempenho.
Os substratos de vidro, através de vias de vidro (TGV) para interconexão elétrica vertical, preenchem com precisão a lacuna de mercado entre substratos orgânicos e interpositores de silício. Eles oferecem um coeficiente ajustável de expansão térmica (combinado com chips de silício), perda dielétrica extremamente baixa e planicidade de superfície ultra-alta. Os testes da Intel mostraram que eles podem reduzir a distorção de padrão em 50% e aumentar a densidade de interconexão em até 10 vezes.
Os líderes globais de semicondutores estão acelerando rapidamente seus investimentos: Intel, TSMC, Samsung Electro{0}}Mechanics, SK Group e LG Group entraram na arena, dando início a uma corrida comercial em torno de substratos de vidro.
Substratos Cerâmicos
Em embalagens integradas de alta-densidade, dispositivos de alta-potência operando simultaneamente geram grandes quantidades de calor concentrado, e o substrato da embalagem é o principal componente-de dissipação de calor. À medida que a potência do chip de IA ultrapassa o limite de 2.000 W, os substratos orgânicos tradicionais FR-4, com sua baixa condutividade térmica (apenas 0,3 W/(m·K)) e incompatibilidade de expansão térmica, enfrentam graves riscos de empenamento e delaminação. Substratos cerâmicos, com suas vantagens inerentes de alta condutividade térmica, alto isolamento elétrico e excelente combinação térmica, tornaram-se uma necessidade para cenários de alta potência.
Entre eles, o nitreto de alumínio (AlN), com condutividade térmica de 170–220 W/(m·K), é a melhor escolha para dissipação de calor em módulos ópticos de alta-velocidade 800G/1,6T. O nitreto de silício (Si₃N₄), com sua excelente resistência à flexão e ao choque térmico, serve como base de embalagem para módulos de potência de alta-tensão SiC/GaN.