AI کمپیوٹنگ پاور کا گلا دبایا جا رہا ہے۔مواد.
Intel CEO Lip-Bu Tan نے ہیرے، سلکان کاربائیڈ (SiC)، انڈیم فاسفائیڈ (InP)، گیلیم نائٹرائڈ (GaN)، اور شیشے کے ذیلی ذخائر کو پانچ کلیدی مواد قرار دیا ہے جو رکاوٹ کو توڑنے کے لیے اہم ہیں۔ دریں اثنا، صنعت کے اندرونی ذرائع نے دو ٹوک طور پر خبردار کیا ہے: "ناکافی InP لیزر کی پیداواری صلاحیت co-پیکیجڈ آپٹکس (CPO) کے لیے بنیادی چوک پوائنٹ ہے۔"
اس کا مطلب یہ ہے کہ Nvidia کے GB200/300 چپس کتنے ہی طاقتور کیوں نہ ہوں، جدید مواد کی مدد کے بغیر، ڈیٹا صرف تیز رفتاری سے نہیں بہہ سکتا۔
یہ صرف صلاحیت کا مسئلہ نہیں ہے - یہ مواد سائنس کی حدود کو آگے بڑھانے والا ایک چیلنج ہے۔ SiC/GaN پاور ڈیلیوری اور گلاس-سبسٹریٹ پیکیجنگ (جیسا کہ ٹین کے ذریعہ نمایاں کیا گیا ہے) سے لے کر آپٹیکل انٹر کنیکٹ سلوشنز کے لیے لیتھیم نائوبیٹ اور SOI تک، اور انتہائی پاور بوجھ کے تحت گرمی کی کھپت کے لیے ڈائمنڈ اور سیرامک سبسٹریٹس،موادAI کے دوسرے نصف میں پوشیدہ میدان جنگ بن گئے ہیں۔ جو بھی پہلے توڑتا ہے وہ کمپیوٹنگ کے غلبہ کی کلید رکھتا ہے۔
ہیرا
جیسا کہ AI کمپیوٹنگ پاور انتہائی تیز رفتاری سے تیز ہوتی ہے، ہائی-چپس میں گرمی کی کھپت تیزی سے شدید ہوتی جا رہی ہے۔ مثال کے طور پر، Nvidia کے Rubin Ultra کے 2,300W فی چپ سے زیادہ ہونے کی توقع ہے، جس میں مقامی ہیٹ فلوکس کثافت 1,000 W/cm² سے تجاوز کر جائے گی – گرمی کی تقریباً ناقابل تصور سطح۔ روایتی تانبے اور ایلومینیم ہیٹ اسپریڈرز اپنی جسمانی حدود کو مار رہے ہیں۔ ڈائمنڈ، اپنی انتہائی-اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ، نئے سیمی کنڈکٹر مواد میں ایک سرکردہ امیدوار کے طور پر ابھرا ہے۔
اپنی انتہائی سختی کے لیے بڑے پیمانے پر جانا جاتا ہے - قدرتی طور پر پائے جانے والا سب سے مشکل مادہ، جس کی Mohs سختی 10 ہے - ہیرا فطرت کے بہترین تھرمل موصلوں میں سے ایک ہے، جس کی تھرمل چالکتا 2,200 W/(m·K) تک ہے، تانبے سے 5.5 گنا اور ایلومینیم سے 11 گنا زیادہ ہے۔ یہ ایک برقی انسولیٹر بھی ہے، اور اس کا تھرمل توسیع کا گتانک سلکان، SiC، اور GaN سے قریب سے ملتا ہے۔ صنعت کے مبصرین نے نوٹ کیا ہے: جب سنگل-چپ پاور 1,400W سے زیادہ ہو جائے تو ہیرا اب "آپشن" نہیں رہتا ہے – یہ ایک "ضرورت" بن جاتا ہے۔
Nvidia کی اگلی-جنریشن Vera Rubin architecture GPUs نے مکمل طور پر "ہیرے – تانبے کے مرکب مواد + 45 ڈگری ڈائریکٹ-رابطہ مائع کولنگ" کے حل کو اپنایا ہے، اور صنعت نے 2026 کو "بڑے- ہیٹ کو اپنانے والے ہیٹ ڈسپوزیشن کے پہلے سال کے طور پر بھی نشان زد کیا ہے۔
سلکان کاربائیڈ (SiC)
AI ڈیٹا سینٹر ریک پاور دسیوں کلو واٹ سے سینکڑوں کلو واٹ تک بڑھ رہی ہے، افق پر میگا واٹ-اسکیل ریک کے ساتھ۔ جیسے جیسے کرنٹ اور وولٹیج کی سطح میں اضافہ ہوتا ہے، روایتی سلیکون-کی بنیاد پر بجلی کی تبدیلی کو حیران کن نقصانات کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ مزید یہ کہ، AI ایسے مواد کا مطالبہ کرتا ہے جو گرمی کو تیزی سے ختم کرتے ہیں، کم بجلی استعمال کرتے ہیں، کم سے کم جگہ پر قبضہ کرتے ہیں، اور زیادہ درجہ حرارت کو برداشت کرتے ہیں۔
SiC ہائی بریک ڈاؤن وولٹیج، اعلی درجہ حرارت پر مستحکم کارکردگی، اور سلیکون سے کہیں کم سوئچنگ نقصانات پیش کرتا ہے۔ اس کا کمپیکٹ ڈیوائس فوٹ پرنٹ اور بہترین وشوسنییتا اسے 800V ہائی-وولٹیج ڈی سی (HVDC) آرکیٹیکچرز کے لیے مثالی انتخاب بناتا ہے – ہائی-وولٹیج ان پٹ رییکٹیفیکیشن اور پاور فیکٹر کریکشن (PFC) مراحل میں 97% سے زیادہ افادیت حاصل کرنا، اور سسٹم HVDC سے زیادہ HVDC کے %80 V30 سے زیادہ نقصان کو کم کر کے۔ نیوڈیا، مائیکروسافٹ، اور دیگر ٹیک جنات کے ذریعہ بنائے گئے نئے ڈیٹا سینٹرز نے پہلے ہی SiC-کی بنیاد پر پاور آرکیٹیکچرز کو معیاری کے طور پر اپنایا ہے۔ ملکی چینی مینوفیکچررز جیسے ٹینک بلیو سیمی کنڈکٹر 8 انچ سبسٹریٹ اور ایپیٹیکسیل بڑے پیمانے پر پیداوار کو تیز کر رہے ہیں تاکہ ویفر کی لاگت کو کم کیا جا سکے۔
گیلیم نائٹرائڈ (GaN)
GaN اور SiC ایک واضح "ہائی-وولٹیج بمقابلہ کم-وولٹیج" ڈویژن بناتے ہیں: SiC سرور روم میں رہتا ہے، جب کہ GaN ریک میں چلا جاتا ہے۔
GaN اعلی الیکٹران کی نقل و حرکت اور غیر معمولی طاقت کی کثافت، اعلی-فریکوئنسی، کم-وولٹیج، ہائی-کثافت پاور کنورژن میں بہترین ہے۔ GPU پاور ماڈیولز میں، ہائی-فریکوئنسی DC-DC کنورٹرز، اور سرور پاور سپلائیز – جہاں جگہ اور رسپانس کی رفتار اہم ہوتی ہے – GaN پاور کی کثافت کو بڑھاتے ہوئے پاور سپلائی کے سائز کو سکڑ سکتا ہے۔ سام سنگ کا 8-انچ کا GaN عمل پہلے ہی لاگت میں 30% کمی حاصل کر چکا ہے اور بڑے پیمانے پر ڈیٹا سینٹر کی تعیناتی کے لیے اپنی موافقت کو تیز کر رہا ہے۔
انڈیم فاسفائیڈ (InP)
انڈیم فاسفائیڈ ناقابل تلافی ہے – یہ لیزر اور فوٹو ڈیٹیکٹر چپس کے لیے واحد ماس-پروڈکشن سبسٹریٹ مواد ہے، جو 1310nm اور 1550nm کم-فائبر کے نقصان والی کھڑکیوں-سے بالکل مماثل ہے۔ CPO ڈومین میں، صنعت کا مرکزی دھارے کا نقطہ نظر آپٹیکل انجنوں اور برقی چپس کو ایک ہی سبسٹریٹ پر مربوط کرتا ہے، اور CPO کے مرکز میں تیز-رفتار روشنی-اخراج کرنے والے آلات InP لیزرز پر 100% انحصار کرتے ہیں۔
اس صنعت کے ایگزیکٹو کے انتباہ پر واپس جانا: ان الفاظ کے پیچھے نمبروں کا ایک مکمل سیٹ ہے۔ 2025 میں، عالمی InP سبسٹریٹ ڈیمانڈ کا تخمینہ 2.0–2.1 ملین ٹکڑوں پر لگایا گیا ہے، جبکہ موثر سپلائی صرف 600,000–700,000 ٹکڑوں پر ہے – ایک سپلائی-ڈیمانڈ گیپ 70% سے زیادہ ہے، جو 2030 تک برقرار رہنے کی توقع ہے۔ گولڈمین سیکس نے مزید سپلائی کے ذریعے "براہ راست سپلائی جاری کیا ہے" 2027، اور صرف 2028 کے دوسرے نصف میں توازن قائم کرنا شروع کر سکتا ہے کیونکہ سپلائی چین کی صلاحیت میں توسیع آن لائن آتی ہے۔"
پتلی-فلم لیتھیم نیوبیٹ (TFLN)
لتیم نائوبیٹ کے مضبوط لکیری الیکٹرو-آپٹک اثر (پوکلس اثر) کا فائدہ اٹھاتے ہوئے، پتلی-فلم لیتھیم نیوبیٹ ہائی-بینڈوڈتھ، ہائی-لائنریٹی (ہائی-فڈیلیٹی) آپٹیکل سگنل کو کم وولٹ ڈرائیونگ پر قابل بناتی ہے۔ یہ اسے درمیانے- سے لمبے-فاصلے، ہائی-بینڈوڈتھ آپٹیکل ٹرانسمیشن ایپلی کیشنز جیسے بیک بون نیٹ ورکس اور میٹرو نیٹ ورکس کے لیے اچھی طرح سے موزوں بناتا ہے۔ اس کے علاوہ، اس کا ہائی ریفریکٹیو انڈیکس کنٹراسٹ اور بہترین آپٹیکل قید اعلی انضمام، ڈیوائس کے سائز اور بجلی کی کھپت کو بہتر بنانے کی اجازت دیتی ہے۔
آپٹیکل ماڈیولٹرز میں، پتلی-فلم لیتھیم نائوبیٹ ایک الیکٹرو-آپٹک گتانک InP سے تین گنا اور سلکان فوٹوونکس سے سو گنا زیادہ پیش کرتی ہے۔ صرف 1.8V کے ساتھ، یہ 100GHz سے زیادہ الٹرا-ہائی-اسپیڈ ماڈیولیشن حاصل کر سکتا ہے، بجلی کی کھپت کو 30-50% تک کم کر سکتا ہے، جبکہ ایک چینل آسانی سے 400G پر چل سکتا ہے۔
جیسے ہی AI کمپیوٹنگ پاور پھٹ رہی ہے، ڈیٹا سینٹر آپٹیکل انٹر کنیکٹس 400G سے 800G، 1.6T، اور 3.2T تک دوڑ رہے ہیں۔ روایتی مواد کی کارکردگی کی حدود تیزی سے واضح ہوتی جا رہی ہیں، اور پتلی-فلم لیتھیم نائوبیٹ اگلی-جنریشن ہائی-اسپیڈ آپٹیکل ٹرانسمیشن ماڈیولیشن کے لیے ایک اہم مواد بننے کے لیے تیار ہے۔ فی الحال، دنیا بھر میں صرف چار کمپنیوں نے 8-انچ ہائی-ویفرز کی بڑے پیمانے پر-پیداواری صلاحیتوں میں مہارت حاصل کی ہے، جس میں طلب اور رسد کا فرق 70% سے زیادہ ہے۔
SOI (سلیکون-آن-انسولیٹر)
اگر سلکان ایک چپ کا "گوشت" ہے، تو SOI سلکان فوٹوونکس کا "کنکال" ہے۔ یہ "ٹاپ سلکان–بیریڈ آکسائیڈ–سبسٹریٹ" سینڈویچ ڈھانچہ، سلکان کی تہہ کے نیچے سلکان ڈائی آکسائیڈ کی موصلیت کی تہہ ڈال کر، الیکٹران اور فوٹون کے درمیان کراس اسٹال کو مکمل طور پر ختم کرتا ہے۔ یہ طفیلی صلاحیت کو 60% سے زیادہ کم کرتا ہے، جس سے برقی سگنلز تیز اور زیادہ موثر طریقے سے چل سکتے ہیں۔ زیادہ اہم بات یہ ہے کہ اوپری سلکان اور آکسائیڈ پرت کے درمیان بڑا ریفریکٹیو انڈیکس فرق قدرتی طور پر آپٹیکل ویو گائیڈ کی "دیواریں" بناتا ہے، جو آپٹیکل سگنلز کو موڑنے اور چپ پر کم سے کم نقصان کے ساتھ منتقل کرنے کے قابل بناتا ہے۔
AI دور میں، SOI آپٹیکل ماڈیولز، CPO انجنوں، اور کوانٹم چپس کی تیاری کے لیے ناقابل تبدیل بنیادی سبسٹریٹ ہے۔ عالمی پیداواری صلاحیت فرانس کے Soitec پر بہت زیادہ مرکوز ہے، جس سے مقامی لوکلائزیشن کو فوری ترجیح دی جاتی ہے۔
شیشے کے سبسٹریٹس
چونکہ GPUs، HBM، اور chiplet stacking ڈرائیو پیکیجنگ بڑے فارم فیکٹرز، ہائی کثافت، اور تیز-ایک دوسرے سے جڑے ہوئے ہیں، روایتی نامیاتی سبسٹریٹس اور سلیکون انٹرپوزرز کو سائز، لاگت اور کارکردگی میں تیزی سے محدودیت کا سامنا کرنا پڑ رہا ہے۔
عمودی الیکٹریکل انٹر کنکشن کے لیے شیشے کے سبسٹریٹس، شیشے کے ویاس (TGV) کے ذریعے، آرگینک سبسٹریٹس اور سلیکون انٹرپوزر کے درمیان مارکیٹ کے خلا کو ٹھیک ٹھیک پُر کرتے ہیں۔ وہ تھرمل توسیع (سلیکون چپس سے مماثل)، انتہائی کم ڈائی الیکٹرک نقصان، اور انتہائی-سطح کی ہمواری کا ٹیون ایبل گتانک پیش کرتے ہیں۔ انٹیل ٹیسٹوں نے دکھایا ہے کہ وہ پیٹرن کی مسخ کو 50٪ تک کم کر سکتے ہیں اور آپس میں منسلک کثافت کو 10 گنا تک بڑھا سکتے ہیں۔
عالمی سیمی کنڈکٹر رہنما تیزی سے اپنی سرمایہ کاری کو تیز کر رہے ہیں – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group, اور LG Group سبھی میدان میں داخل ہو چکے ہیں، شیشے کے ذیلی ذخائر کے گرد تجارتی دوڑ شروع کر رہے ہیں۔
سیرامک سبسٹریٹس
اعلی-کثافت کی مربوط پیکیجنگ میں، اعلی-بجلی چلنے والے آلات بیک وقت بہت زیادہ مقدار میں مرتکز حرارت پیدا کرتے ہیں، اور پیکیجنگ سبسٹریٹ بنیادی حرارت-منتشر کرنے والا جزو ہے۔ جیسے ہی AI چپ پاور 2,000W کی حد کو عبور کرتی ہے، روایتی FR-4 نامیاتی ذیلی ذخائر، ان کی ناقص تھرمل چالکتا (صرف 0.3 W/(m·K)) اور تھرمل توسیع کی مماثلت کے ساتھ، شدید وار پیج اور ڈیلامینیشن کے خطرات کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ اعلی تھرمل چالکتا، اعلی برقی موصلیت، اور بہترین تھرمل مماثلت کے اپنے موروثی فوائد کے ساتھ، سیرامک سبسٹریٹس، ہائی پاور منظرناموں کے لیے ایک ضرورت بن گئے ہیں۔
ان میں، ایلومینیم نائٹرائڈ (AlN)، جس کی تھرمل چالکتا 170–220 W/(m·K) ہے، 800G/1.6T ہائی-اسپیڈ آپٹیکل ماڈیولز میں گرمی کی کھپت کے لیے سرفہرست انتخاب ہے۔ سلکان نائٹرائڈ (Si₃N₄)، اپنی بہترین لچکدار طاقت اور تھرمل جھٹکا مزاحمت کے ساتھ، SiC/GaN ہائی-وولٹیج پاور ماڈیولز کے لیے پیکیجنگ فاؤنڈیشن کے طور پر کام کرتا ہے۔