Pendant de nombreuses années, les progrès de la technologie des semi-conducteurs ont été largement décrits par les nœuds de processus.

10 nm sont devenus 7 nm, puis 5 nm, 3 nm et des architectures de transistors de plus en plus avancées.

Mais à mesure que les accélérateurs d'IA, les systèmes informatiques hautes performances et les emballages avancés continuent à évoluer, la densité des transistors n'est plus le seul facteur déterminant les performances du système.

L'industrie des semi-conducteurs entre dans une nouvelle étape où les matériaux, les emballages, les interconnexions, la fourniture d'énergie et la gestion thermique deviennent tout aussi importants que le dimensionnement des transistors.

Cette transition augmente l'intérêt pour une large gamme de matériaux semi-conducteurs, notamment:

• D'une épaisseur n'excédant pas 10 mm
• Substrats en verre
• Carbide de silicium (SiC)
• Nitrure de gallium (GaN)
• Ceramiques à base de nitrure d'aluminium (AlN)
• Ceramiques au carbure de silicium
• Matériaux à base de diamants pour la propagation de la chaleur
• Composites diamant-cuivre

Ces matériaux répondent à différents défis d'ingénierie, mais ils sont de plus en plus liés par un facteur commun:

Les systèmes IA et HPC nécessitent une plus grande bande passante, une efficacité énergétique plus élevée, un emballage plus dense et de meilleures performances thermiques.

Le goulot d'étranglement des semi-conducteurs dépasse les transistors

Les processeurs d'IA modernes contiennent d'énormes ressources informatiques.

Cependant, l'augmentation de la capacité de calcul crée également plusieurs nouvelles limitations.

Deux des plus importants sont les suivants:

déplacement des données

et

élimination de la chaleur.

Un accélérateur d'IA doit échanger en permanence d'énormes quantités de données avec HBM, les processeurs voisins, les interfaces réseau et les systèmes de stockage.

Dans le même temps, ces appareils génèrent de plus en plus de chaleur concentrée à l'intérieur des emballages avancés.

En conséquence, il ne suffit plus d'améliorer les performances du transistor.

L'ensemble du système de semi-conducteurs doit être optimisé.

Il s'agit notamment:

• les interconnexions optiques
• des substrats avancés
• Intégration HBM
• conversion de puissance
• interfaces thermiques
• émetteurs de chaleur
• matériaux d'emballage

Cette transition au niveau du système crée de nouvelles opportunités pour les matériaux semi-conducteurs qui occupaient auparavant des marchés relativement spécialisés.

1La photonique SOI devient de plus en plus importante pour les interconnexions IA

Le silicium sur isolant n'est pas un nouveau matériau semi-conducteur.

Les plaquettes SOI sont utilisées depuis longtemps pour des applications telles que:

• MEMS
• Dispositifs RF
• détecteurs
• circuits intégrés spécialisés

Cependant, l'infrastructure d'IA crée une autre opportunité de croissance importante:

la photonique au silicium.

À mesure que les grappes d'IA deviennent plus grandes, les interconnexions électriques traditionnelles sont de plus en plus confrontées à des défis liés à:

• perte de transmission
• consommation électrique
• densité de bande passante
• intégrité du signal
• distance de transmission

Les interconnexions en cuivre demeurent essentielles, mais la communication optique devient de plus en plus attrayante à mesure que les besoins en bande passante augmentent.

C'est l'une des raisons pour lesquelles l'optique co-emballée, ou CPO, a reçu tant d'attention.

Au lieu de s'appuyer entièrement sur les connexions électriques entre processeurs hautes performances et modules optiques, la CPO rapproche les moteurs optiques du silicium de commutation ou de calcul.

L'objectif est de réduire la longueur des connexions électriques à grande vitesse et de transférer plus de données par voie optique.

Le SOI est l'une des plateformes de substrat les plus importantes pour la photonique au silicium.

Pourquoi le SOI fonctionne bien pour la photonique au silicium

Une plaque SOI photonics typique contient:

• une couche mince de dispositif en silicium
• une couche d'oxyde enfouie
• une plaquette à poignée en silicium

La couche supérieure de silicium peut être modélisée en guides d'ondes optiques.

L'oxyde enfoui fournit une isolation optique entre le guide d'onde en silicium et le substrat de silicium sous-jacent.

Les structures photoniques en silicium courantes comprennent:

• les guides d'ondes
• autres appareils de traitement de l'air
• modulateurs
• appareils de détection des ondes
• Des interféromètres Mach-Zehnder
• plateformes d'intégration de photodétecteurs

Dans de nombreuses plates-formes de photonics commerciales, la couche du dispositif en silicium n'a qu'une épaisseur de quelques centaines de nanomètres.

Par exemple, environ 220 nm de silicium sur un oxyde enterré à l'échelle du micromètre est largement utilisé dans la photonique du silicium.

Cela signifie que les exigences en matière de plaques SOI pour la photonique sont très différentes de celles pour les MEMS ou les applications RF conventionnelles.

L'uniformité de l'épaisseur, la qualité de la surface et le contrôle BOX deviennent particulièrement importants.

Les centres de données d'intelligence artificielle pourraient stimuler une plus grande demande en photonics-SOI

L'importance de la photonique du silicium est étroitement liée à la croissance des centres de données d'IA.

Les grappes d'IA nécessitent une communication extrêmement rapide:

à l'intérieur du serveur

entre les accélérateurs

entre les rayonnages

et de plus en plus

entre de grands groupes de systèmes informatiques.

Au fur et à mesure que la communication électrique se rapproche des limites pratiques en termes de puissance et de densité de bande passante, les technologies d'interconnexion optique prennent de l'importance.

Cela signifie que les SOI peuvent de plus en plus servir non seulement les périphériques semi-conducteurs traditionnels, mais aussi l'infrastructure de communication optique entourant les processeurs d'IA.

En d'autres termes:

Le boom de l'IA n'augmente pas seulement la demande de plaquettes de calcul, il augmente également la demande de matériaux qui déplacent les données entre les appareils de calcul.

2Les substrats en verre se rapprochent de l'emballage avancé

Un autre matériau qui reçoit de plus en plus d'attention est le verre.

Le verre est utilisé dans la fabrication d'électronique et de semi-conducteurs depuis de nombreuses années.

Les applications sont les suivantes:

• plaquettes porteuses
• MEMS
• composants optiques
• liens temporaires
• technologie d'affichage

Mais les emballages avancés créent une nouvelle opportunité:

Substrats de noyau en verre et interposants en verre.

Les paquets d'IA modernes peuvent combiner:

• Le GPU ou l' accélérateur IA s' éteint
• des petits multiples
• Piles HBM
• interposés
• Substrats de l'emballage

À mesure que les dimensions des paquets augmentent, la stabilité dimensionnelle devient de plus en plus importante.

Les matériaux de substrat organique traditionnels peuvent faire face à des défis tels que:

• page de guerre
• expansion thermique
• motifs à lignes fines
• contrôle dimensionnel de grande surface

Le verre présente plusieurs caractéristiques intéressantes pour ces applications.

Pourquoi le verre est intéressant pour les emballages avancés

Le verre peut fournir:

• excellente stabilité dimensionnelle
• coefficient de dilatation thermique contrôlé
• surfaces lisses
• bonne isolation électrique
• compatibilité avec le traitement des panneaux de grande taille
• potentiel pour les structures d'interconnexion à haute résolution

L'une des technologies facilitatrices les plus importantes est:

Le TGV à travers le verre.

Un TGV crée des connexions électriques à travers l'épaisseur d'un substrat en verre.

Après la formation, les trous peuvent être métallisés pour créer des interconnexions électriques verticales.

Cela rend le verre potentiellement approprié pour:

• autres appareils de traitement des déchets
• Substrats de noyau en verre
• Packages à RF
• intégration avancée de puces
• Emballage de l'accélérateur IA

Cependant, l'emballage en verre exige plus que la simple production d'une gaufre en verre.

La chaîne de fabrication complète peut comprendre:

préparation du verre
→ éclaircissement de précision
→ Formation du TGV
→ métallisation
→ couches de redistribution
→ le lien
→ emballage avancé

Les entreprises qui peuvent contrôler l'ensemble de la chaîne de production peuvent obtenir une plus grande valeur que les fournisseurs de verre brut seuls.

3HBM transforme la gestion thermique en problème de matériaux

La mémoire haute bande passante est devenue l'une des technologies déterminantes du matériel d'IA.

HBM améliore la bande passante de mémoire en empilant plusieurs matrices DRAM verticalement.

Cela permet de déplacer beaucoup plus de données entre la mémoire et les processeurs qu'avec les architectures de mémoire conventionnelles.

Mais il y a une conséquence inévitable:

L'empilement rend la gestion thermique plus difficile.

Plusieurs matrices en silicium génèrent de la chaleur à l'intérieur d'une structure verticale compacte.

Dans le même temps, les piles HBM sont généralement placées très près des accélérateurs d'IA de haute puissance.

Un ensemble d'IA avancé peut donc contenir plusieurs sources thermiques majeures dans une zone limitée.

Les performances thermiques deviennent un problème de conception au niveau de l'emballage.

Les emballages de pointe ont besoin de meilleurs matériaux de dissipation de chaleur

Le cuivre traditionnel demeure extrêmement important en raison de ses:

• conductivité thermique élevée
• Fabrication mature
• faible coût relatif
• une bonne usinabilité

Cependant, les futurs emballages à haute puissance peuvent nécessiter des matériaux dotés de capacités supplémentaires.

Les matériaux potentiels sont les suivants:

• céramiques AlN
• céramiques SiC
• Je vous en prie.
• Cu-W
• Diamant de la maladie cardiaque
• Composites diamant- cuivre
• matériaux d'interface thermique avancés

Les paramètres clés des matériaux comprennent de plus en plus:

• conductivité thermique
• coefficient de dilatation thermique
• résistance thermique à l'interface
• la planéité
• rigidité mécanique
• fiabilité en cycle thermique

Le problème thermique n'est donc plus résolu simplement par l'installation d'un dissipateur de chaleur plus grand.

Ça commence beaucoup plus près de la matrice des semi-conducteurs.

4Pourquoi Diamond revient dans la discussion sur les semi-conducteurs thermiques?

Le diamant reçoit une attention renouvelée en raison d'une propriété exceptionnelle:

conductivité thermique très élevée.

Les diamants synthétiques de haute qualité peuvent conduire la chaleur beaucoup plus efficacement que de nombreux matériaux conventionnels de gestion thermique.

Cela rend le diamant attrayant pour éliminer la chaleur concentrée des appareils à haute puissance.

Les applications potentielles sont les suivantes:

• Accélérateurs à IA
• Processeurs HPC
• Dispositifs RF GaN
• modules à semi-conducteurs de puissance
• Systèmes laser

Cependant, le diamant pur présente aussi des inconvénients.

Il s'agit notamment:

• coût élevé
• usinage difficile
• métallisation difficile
• un lien difficile
• l'économie de grande surface limitée

En conséquence, les chercheurs et les fournisseurs de matériaux explorent de plus en plus les solutions hybrides.

Un exemple important est le suivant:

Composite diamant- cuivre.

Pourquoi le cuivre-diamant est intéressant

Les composites diamant-cuivre combinent des particules de diamant avec une matrice de cuivre.

L'objectif est d'obtenir deux propriétés simultanément:

conductivité thermique plus élevée

et

une expansion thermique inférieure à celle du cuivre conventionnel.

C'est intéressant, car les emballages à semi-conducteurs sont souvent confrontés à un compromis.

Le cuivre conduit bien la chaleur mais a un coefficient de dilatation thermique relativement élevé.

Les matériaux à faible CTE tels que le tungstène et le molybdène peuvent améliorer la stabilité dimensionnelle, mais réduisent souvent la conductivité thermique lorsqu'ils sont ajoutés au cuivre.

Diamond offre une possibilité différente car il a les deux:

• conductivité thermique extrêmement élevée
• très faible expansion thermique

En principe, les composites diamant/Cu peuvent donc améliorer la conductivité thermique tout en réduisant l'ETC.

L'interface est plus importante que le contenu du diamant

Un composite diamant-cuivre n'est pas automatiquement de haute performance simplement parce qu'il contient un pourcentage élevé de diamant.

La question la plus difficile est l'interface entre:

diamants

et

Je vous en prie.

Le cuivre ne se lie pas naturellement efficacement au diamant.

Un mauvais contact d'interface peut créer une résistance thermique substantielle.

Cela signifie que la chaleur ne peut pas se déplacer efficacement de:

le cuivre → le diamant → le cuivre.

Les fabricants utilisent donc des techniques d'ingénierie d'interfaces impliquant des éléments formant du carbure tels que:

• - Je vous en prie.
• Cr
• W
• Je vous en prie.
• Zr

Ces éléments peuvent améliorer la liaison diamant-cuivre.

Cependant, la couche d'interface doit également être soigneusement contrôlée.

Si elle devient trop épaisse, l'interface elle-même peut devenir une barrière thermique.

Ceci illustre une tendance importante dans les matériaux semi-conducteurs avancés:

Les performances futures dépendent de plus en plus de l'ingénierie des interfaces, pas seulement des propriétés du matériau en vrac.

5Le SiC reste un matériau semi-conducteur majeur

Bien que l'IA reçoive une énorme attention, l'électrification continue de conduire une autre transition majeure des semi-conducteurs:

l'expansion des appareils électriques au carbure de silicium.

Le SiC est devenu important pour des applications telles que:

• véhicules électriques
• Inverteurs de traction électrique
• charge rapide
• échangeurs solaires
• stockage de l'énergie
• systèmes d'alimentation industrielle
• conversion de puissance haute tension

Comparé aux appareils électriques au silicium classiques, le SiC permet:

• une tension de fonctionnement plus élevée
• fréquence de commutation plus élevée
• pertes de changement plus faibles
• fonctionnement à haute température
• composants passifs plus petits

Mais à mesure que l'industrie du SiC mûrit, la question est en train de changer.

Il y a quelques années, la discussion portait souvent sur:

Le SiC peut-il remplacer le silicium dans les applications à haute puissance?

Aujourd'hui, la question la plus pratique est:

Comment réduire les coûts de fabrication du SiC?

La fabrication de SiC devient une compétition de rendement et de coût

Les substrats de SiC sont difficiles à fabriquer.

Des défis se posent tout au long de la chaîne de transformation:

• croissance des cristaux
• couper en tranches
• le broyage
• le lapage
• CMP
• le nettoyage
• l'épitaxie
• inspection des plaquettes
• fabrication de dispositifs

Le SiC est extrêmement dur et fragile.

Cela rend la découpe et le polissage des plaquettes plus lents et plus coûteux que le traitement conventionnel du silicium.

Les défauts du substrat peuvent également influencer le rendement final du dispositif.

Au fur et à mesure que le SiC se déplace vers la fabrication à plus grand volume, l'accent est de plus en plus mis sur:

• de diamètres de gaufre plus grands
• une meilleure qualité cristalline
• plus faible densité de défaut
• réduction des pertes de coupe
• polissage plus rapide
• amélioration de la planéité de la gaufre
• un meilleur rendement de traitement

Cela signifie que des opportunités existent non seulement dans les plaquettes en SiC elles-mêmes, mais dans toute la chaîne d'approvisionnement en matériaux et équipements en SiC.

6Le GaN est en train de trouver de nouvelles opportunités dans les systèmes d'énergie d'IA

Le nitrure de gallium est un autre semi-conducteur à large bande.

Le GaN est particulièrement attrayant lorsque:

• fréquence de commutation élevée
• haute efficacité
• conversion de puissance compacte

sont importants.

Les centres de données d'IA consomment d'énormes quantités d'électricité.

La réduction des pertes de conversion d'énergie dans l'ensemble de l'architecture de serveur et de rack est donc de plus en plus précieuse.

Les dispositifs GaN peuvent être utilisés dans des applications de conversion de puissance à haute fréquence, notamment:

• alimentation du serveur
• Convertisseurs à courant continu
• équipements de détection des déchets
• systèmes électriques de télécommunications

Cela crée un autre lien important entre l'IA et les matériaux semi-conducteurs.

La demande d'IA ne crée pas seulement une demande de processeurs.

Il augmente également la demande pour l'électronique de puissance requise pour faire fonctionner efficacement ces processeurs.

SiC et GaN sont plus complémentaires que compétitifs

Le SiC et le GaN sont souvent présentés comme des technologies de semi-conducteurs concurrentes.

Dans la pratique, ils s'adressent souvent à différentes parties du marché de l'électronique de puissance.

Le SiC est particulièrement efficace dans:

• les applications à haute tension
• systèmes à haute puissance
• traction automobile
• réseau et énergie industrielle

Le GaN est très attractif pour:

• commutation à haute fréquence
• autres appareils de traitement des gaz
• Applications de basse à moyenne tension
• électronique de puissance pour les centres de données

Le marché futur des semi-conducteurs de puissance est donc susceptible d'utiliser:

silicium + SiC + GaN

au lieu de choisir un seul matériau universel.

7La céramique des semi-conducteurs devient de plus en plus importante.

Une autre catégorie moins visible mais de plus en plus importante est celle des matériaux céramiques avancés.

Les équipements semi-conducteurs reposent sur des céramiques de précision pour des composants tels que:

• éclaboussures à gaufres
• plaques de chauffage
• composants isolants
• pièces de chambre à plasma
• Porteurs de plaquettes
• étapes de précision
• composants sous vide

Les matériaux importants sont:

• Alumine
• Nitrure d'aluminium
• Carbure de silicium
• Nitrure de silicium
• Yttria

Chaque matériau résout un problème d'ingénierie différent.

Alumine

L'Alumina propose:

• excellente isolation électrique
• bonne résistance chimique
• dureté élevée
• transformation à maturité
• coût relativement contrôlé

Il reste l'une des céramiques techniques les plus utilisées.

Nitrure d'aluminium

L'ALN est particulièrement attrayant lorsque les deux:

isolation électrique

et

conductivité thermique élevée

sont nécessaires.

Cela le rend utile pour:

• Substrats de semi-conducteurs de puissance
• composants de chauffage
• structures de gestion thermique
• emballage électronique

Céramique SiC

La céramique SiC fournit:

• haute rigidité
• conductivité thermique élevée
• faible expansion thermique
• excellente résistance à l'usure
• stabilité à haute température

Ces caractéristiques le rendent attrayant pour les composants d'équipements semi-conducteurs qui doivent rester dimensionnellement stables dans des conditions thermiques changeantes.

L'IA relie des marchés de matériaux auparavant séparés

L'une des tendances les plus intéressantes des semi-conducteurs est que les matériaux qui appartenaient autrefois à des industries relativement distinctes font désormais partie du même système.

Considérez une plateforme informatique d'IA avancée.

Il peut exiger:

Département de l'économie

pour la photonique du silicium et la communication optique.

Verres

pour les emballages avancés de nouvelle génération.

HBM

pour la mémoire à large bande passante.

céramiques AlN ou SiC

pour les équipements de gestion thermique et de semi-conducteurs.

Matériaux à base de diamants

pour la propagation de la chaleur extrême.

GaN

pour une conversion de puissance de centre de données à haut rendement.

SiC

pour les infrastructures énergétiques à haute puissance.

Ces matériaux remplissent des fonctions complètement différentes.

Mais l'IA les relie à travers les mêmes exigences d'ingénierie:

• plus de bande passante
• une plus grande intégration
• une plus grande efficacité énergétique
• résistance thermique inférieure

De la mise à l'échelle des processus à la mise à l'échelle des systèmes

L'industrie des semi-conducteurs est donc en train d'entrer dans une forme plus large de mise à l'échelle.

La mise à l'échelle traditionnelle était principalement axée sur la réduction de la taille des transistors.

Les améliorations futures des performances dépendent de plus en plus de:

** mise à l'échelle des transistors

• étalonnage des emballages
• mise à l'échelle de la mémoire
• mise à l'échelle optique
• mise à l'échelle de puissance
• étalonnage thermique**

C'est pourquoi les matériaux avancés deviennent stratégiquement importants.

Un transistor plus rapide offre un avantage limité si les données ne peuvent pas l'atteindre rapidement.

Un accélérateur d'IA plus grand offre un bénéfice limité s'il surchauffe.

Un plus grand nombre de HBM présente des avantages limités si la densité des emballages devient impossible à gérer.

Les emballages et les matériaux avancés font désormais partie de l'équation de performance.

Quels matériaux semi-conducteurs l'industrie devrait- elle surveiller ensuite?

Plusieurs catégories méritent une attention particulière.

L'équipement de l'OSI

Il est alimenté par la photonique du silicium, la communication optique à grande vitesse et le CPO.

Substrats de verre

Il est propulsé par des chiplets, des HBM, des emballages avancés de grande surface et une technologie TGV.

SiC

Propulsé par des véhicules électriques, de l'énergie industrielle, des énergies renouvelables et de l'électronique haute tension.

GaN

Propulsé par la conversion de puissance à haute fréquence et l'efficacité du centre de données.

Ceramiques à haute conductivité thermique

Propulsé par la densité de puissance et l'équipement avancé de semi-conducteurs.

Matériaux thermiques à base de diamants

Elle est entraînée par un flux de chaleur extrême dans l'IA, les RF et les appareils à haute puissance.

Ces matériaux ne remplaceront pas le silicium.

Au lieu de cela, ils entoureront de plus en plus le silicium et lui permettront de continuer à évoluer au niveau du système.

Conclusion

La révolution des semi-conducteurs d'IA devient une révolution des matériaux.

Pendant des décennies, la question la plus importante de l'industrie était:

À quel point le transistor peut-il être petit?

Cette question demeure importante.

Mais ce n'est plus suffisant.

La prochaine génération de systèmes à semi-conducteurs doit également répondre:

À quelle vitesse les données peuvent-elles se déplacer?

À quel point plusieurs matrices peuvent-elles être intégrées?

Quelle est l'efficacité de la conversion de l'énergie?

Combien de temps faut-il pour éliminer la chaleur?

Ces questions augmentent l'importance des plaquettes SOI, des substrats de verre, du SiC, du GaN, de la céramique avancée et des matériaux thermiques à base de diamants.

L'avenir des performances des semi-conducteurs dépendra donc non seulement de meilleures puces, mais aussi de meilleurs matériaux entourant ces puces.

La phase suivante de la compétition peut être définie moins par une découverte de matériau unique et plus par la capacité d'intégrer plusieurs matériaux spécialisés dans un seul système de haute performance.

À l'ère de l'IA, l'innovation des semi-conducteurs va au-delà de la simple fabrication de puces plus petites.

Il s'agit de plus en plus de permettre aux puces de communiquer plus rapidement, d'emballer plus densément, de consommer de l'énergie plus efficacement et de fonctionner à des températures plus basses.