De snelle groei van kunstmatige intelligentie zorgt voor een ongekende vraag naar rekenkracht, geheugenbandbreedte, verbindingssnelheid, thermisch beheer en geavanceerde verpakkingstechnologieën.Terwijl AI-ontwikkeling vaak wordt geassocieerd met GPU's en grote taalmodellen, worden de onderliggende materialen en halfgeleidertechnologieën even belangrijk.

Aangezien de traditionele transistor schaalbaarheid fysieke grenzen nadert, is de halfgeleiderindustrie steeds meer afhankelijk van geavanceerde materialen, fotonische integratie, heterogene verpakkingen,en nieuwe interconnectarchitecturen om de prestaties te blijven verbeteren.

Onder de vele opkomende technologieën die in ontwikkeling zijn, staan vijf gebieden op voor hun potentiële impact op de toekomstige AI-infrastructuur:

1. Substraten van siliciumcarbide (SiC) voor geavanceerde AI-verpakkingen
2. Lithiumniobate met dunne film (TFLN/LNOI) en Lithium Tantalate Photonics
3. MicroLED-gebaseerde optische interconnectarchitectuur
4. Safirwafers in geavanceerde verpakkingen en elektronica
5. CoWoP-verpakkingstechnologie (chip-on-wafer-on-PCB)

1. Substraten van siliciumcarbide (SiC) voor AI-verpakkingen van de volgende generatie

Waarom warmtebeheer belangrijk is

Moderne AI-versnellers kunnen honderden tot duizenden watten verbruiken in één pakket.Het thermisch beheer wordt een van de meest kritieke knelpunten in de prestaties van het systeem..

Traditionele siliciumverpakkingsmaterialen worden steeds meer uitgedaagd door:

• Hoge vermogendichtheid
• Lokale warmtepunten
• Vereisten inzake signaalintegrititeit
• Mechanische spanning in verpakkingen met een groot oppervlak

Voordelen van siliciumcarbide

Het enkelkristallieke siliciumcarbide (SiC) heeft verschillende aantrekkelijke eigenschappen:

De aanzienlijk hogere thermische geleidbaarheid van SiC maakt het mogelijk om warmte efficiënter te verspreiden, waardoor de verbindingstemperatuur wordt verlaagd en de betrouwbaarheid van het pakket mogelijk wordt verbeterd.

Potentiële rol in AI-verpakkingen

Onderhandelingen in de industrie suggereren dat toekomstige hoogwaardige computingplatforms SiC-gebaseerde interposers, dragers of substraattechnologieën kunnen onderzoeken om de toenemende thermische belastingen aan te pakken.

Potentiële toepassingen zijn:

• Geavanceerde verpakking in CoWoS-stijl
• Chiplet-integratieplatformen
• High-density interconnect carriers
• Structuur voor warmtebeheer

Naarmate AI-systemen blijven schalen naar exascale- en zettascale-computing, kunnen geavanceerde thermische materialen zoals SiC strategisch belangrijk worden.

2Lithiumniobate en -tantalaat voor AI-optische interconnecties

De groeiende behoefte aan optische communicatie

De prestatieflessen in AI-clusters verschuiven steeds meer van computing naar databeweging.

Moderne AI-trainingssystemen vereisen:

• Massive GPU-to-GPU communicatie
• Netwerken op rackschaal
• optische stoffen voor datacenters
• Interconnecties met lage latentie

Elektrische interconnecties worden geconfronteerd met toenemende beperkingen op het gebied van bandbreedte, stroomverbruik en signaalverlies.

Waarom TFLN belangrijk is

Thin-Film Lithium Niobate (TFLN), ook wel bekend als Lithium Niobate on Insulator (LNOI), wordt een van de meest veelbelovende fotonische platforms.

De belangrijkste voordelen zijn:

• Extrem sterk elektro-optisch effect
• Hoge modulatiebandbreedte
• Laag invoegverlies
• Laag energieverbruik
• Uitstekende temperatuurstabiliteit

De rol van lithiumtantalaat

Lithiumtantalaat (LiTaO3) is een aanvulling op lithiumniobaat in toepassingen zoals:

• RF-filters
• toestellen voor geluidsgolven
• Fotonische integratie
• Optische signaalverwerking

Toekomstige toepassingen van AI

TFLN-modulatoren worden in toenemende mate overwogen voor:

• 800G-optische modules
• 1.6T optische modules
• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• optische AI-stof

Veel onderzoekers geloven dat hybride integratie:

• Silicon Photonics (SiPh)
• Lithiumniobate met dunne film
• Geavanceerde verpakking

Het kan een van de dominante architecturen worden voor de volgende generatie AI communicatiesystemen.

3Optische interconnecties op basis van micro-LED

Behalve beeldschermtechnologie

MicroLED-technologie wordt vaak geassocieerd met de volgende generatie displays.

In tegenstelling tot traditionele lasergebaseerde systemen kunnen MicroLED-arrays werken als zeer parallelle optische communicatie-motoren.

Parallelle optische architectuur

Het concept is simpel:

In plaats van één ultra-snel kanaal dat alle verkeer vervoert, werken er honderden lager snelheidskanalen tegelijkertijd.

Voorbeeld:

• Eenkanaal: 2 Gbps
• 400 kanalen: 800 Gbps
• 800 kanalen: 1,6 Tbps

Deze massaal parallelle aanpak biedt verschillende voordelen.

Mogelijke voordelen

Minder energieverbruik

MicroLED's kunnen werken op:

• Lagere spanningen
• Lagere thermische belastingen
• Verminderde optische vermogenseisen

Betere betrouwbaarheid

Grote arrays maken redundantie mogelijk.

Als sommige zenders uitvallen:

• De communicatie kan doorgaan.
• Verbetering van de betrouwbaarheid van het systeem

Korte afstands AI-interconnecties

Potentiële toepassingen zijn:

• Communicatie op rackschaal
• optische achtergrondplaten
• AI-serververbindingen
• optische schakelsystemen

Hoewel MicroLED optische communicatie nog in het begin van de commercialisering staat, is het een intrigerend alternatief voor conventionele op laser gebaseerde oplossingen.

4.Safirwafelsin het post-Moore tijdperk

Materialeninnovatie buiten transistor-scaling

Naarmate de wet van Moore vertraagt, is de innovatie van halfgeleiders steeds meer afhankelijk van:

• Geavanceerde materialen
• Nieuwe verpakkingsarchitecturen
• Heterogene integratie
• Verwarming

Safir (α-Al2O3) trekt opnieuw belangstelling aan vanwege zijn unieke combinatie van eigenschappen.

Belangrijkste materiaalkenmerken

Toepassingen in geavanceerde verpakkingen

Onderzoekers onderzoeken saffieren voor:

• Voorlopig bindend drager
• Ultradunne wafers
• Interposerstructuren
• optische verpakkingsplatformen

De hoge mechanische sterkte kan helpen bij het verminderen van de wafervervorming en de behandeling van schade tijdens geavanceerde verpakkingsprocessen.

Rol in de energie-elektronica

Safir blijft ook belangrijk in:

• Productie van LED's
• RF-apparaten
• Optische systemen
• Breedbandsemiconductor-ecosystemen

Aangezien de complexiteit van de verpakkingen blijft toenemen, kan saffier nieuwe kansen vinden buiten de traditionele LED-substraatmarkt.

5CoWoP-verpakkingen: een mogelijke evolutie voorbij conventionele CoWoS

Wat is CoWoP?

CoWoP staat voor:

Chip-on-Wafer-on-PCB

Het concept beoogt geavanceerde verpakkingsstructuren te vereenvoudigen door de traditionele ABF-substraatschaal te verwijderen.

In plaats daarvan wordt de siliciuminterposer rechtstreeks aan de printplaat (PCB) aangesloten.

Mogelijke voordelen

Verminderde lengte van het signaalpad

Kortere elektrische paden kunnen:

• Lagere latentie
• Verminderd signaalverlies
• Verbeterde bandbreedte

Verbeterde thermische flexibiliteit

Het verwijderen van de substraatschaal kan extra opties voor thermisch beheer opleveren.

Vermindering van kosten

De kosten van geavanceerde verpakkingen zijn een belangrijke zorg geworden in de hele halfgeleiderindustrie.

Een vereenvoudigde pakketstructuur kan:

• Minder processtappen
• Lagere materiaalkosten
• Betere schaalbaarheid

Technische uitdagingen

Ondanks zijn belofte, wordt CoWoP geconfronteerd met aanzienlijke hindernissen.

PCB-precisievereisten

Toekomstige AI-pakketten kunnen vereisen:

• Lijnbreedten kleiner dan 10 μm
• Ultra-hoge dichtheid routing
• Geavanceerde productiecapaciteit

Opbrengst en betrouwbaarheid

De uitdagingen zijn onder meer:

• Grote pakketpagina
• Mechanische spanning
• Montage nauwkeurigheid

Materiaalproblemen

Een van de belangrijkste technologieën is ultradunne koperen folie, die essentieel is voor het bereiken van de fijne routingdichtheid die door AI-systemen van de volgende generatie wordt vereist.

Conclusies

De toekomst van AI-hardware zal niet alleen bepaald worden door grotere GPU's of geavanceerdere software modellen.De nieuwe technologieën en verpakkingsinnovaties die deze systemen in staat stellen efficiënt te schalen.

Onder de technologieën die steeds meer aandacht trekken bij de industrie zijn:

• Siliciumcarbide voor thermisch beheer en geavanceerde verpakking
• Lithiumniobate met dunne film voor optische interconnecties
• MicroLED-optische communicatie
• Sapfiersubstraten voor heterogene integratie
• CoWoP-verpakkingsarchitecturen

Hoewel elke technologie zich in een ander stadium van volwassenheid bevindt, vertegenwoordigen ze allemaal belangrijke richtingen in de evolutie van AI-infrastructuur.doorbraken in de materialenwetenschappen en verpakkingstechniek kunnen net zo transformatief zijn als vooruitgang in de computerarchitectuur zelf.