Durante muchos años, el progreso de la tecnología de semiconductores se describió en gran medida por los nodos de proceso.
10 nm se convirtió en 7 nm, luego en 5 nm, 3 nm y arquitecturas de transistores cada vez más avanzadas.
Pero a medida que los aceleradores de IA, los sistemas de computación de alto rendimiento y el empaquetado avanzado continúan escalando, la densidad de transistores ya no es el único factor que determina el rendimiento del sistema.
La industria de semiconductores está entrando en una nueva etapa en la que los materiales, el empaquetado, las interconexiones, la entrega de energía y la gestión térmica se están volviendo tan importantes como la escala de transistores.
Esta transición está aumentando el interés en una amplia gama de materiales semiconductores, que incluyen:
- Obleas de silicio sobre aislante (SOI)
- Sustratos de vidrio
- Carburo de silicio (SiC)
- Nitruro de galio (GaN)
- Cerámicas de nitruro de aluminio (AlN)
- Cerámicas de carburo de silicio
- Materiales de disipación de calor a base de diamante
- Compuestos de diamante y cobre
Estos materiales abordan diferentes desafíos de ingeniería, pero están cada vez más conectados por un impulsor común:
Los sistemas de IA y HPC requieren más ancho de banda, mayor eficiencia energética, empaquetado más denso y mejor rendimiento térmico.
El cuello de botella de los semiconductores se está expandiendo más allá de los transistores
Los procesadores de IA modernos contienen enormes recursos de computación.
Sin embargo, el aumento de la capacidad de computación también crea varias limitaciones nuevas.
Dos de las más importantes son:
movimiento de datos
y
eliminación de calor.
Un acelerador de IA debe intercambiar continuamente enormes cantidades de datos con HBM, procesadores vecinos, interfaces de red y sistemas de almacenamiento.
Al mismo tiempo, estos dispositivos generan calor cada vez más concentrado dentro de los paquetes avanzados.
Como resultado, mejorar el rendimiento de los transistores por sí solo ya no es suficiente.
Todo el sistema semiconductor debe optimizarse.
Eso incluye:
- interconexiones ópticas
- sustratos avanzados
- integración HBM
- conversión de potencia
- interfaces térmicas
- disipadores de calor
- materiales de empaquetado
Esta transición a nivel de sistema está creando nuevas oportunidades para materiales semiconductores que anteriormente ocupaban mercados relativamente especializados.
1. La SOI fotónica se está volviendo más importante para las interconexiones de IA
El silicio sobre aislante no es un material semiconductor nuevo.
Las obleas SOI se han utilizado durante mucho tiempo para aplicaciones como:
- MEMS
- dispositivos de RF
- sensores
- circuitos integrados especializados
Sin embargo, la infraestructura de IA está creando otra importante oportunidad de crecimiento:
fotónica de silicio.
A medida que los clústeres de IA se vuelven más grandes, las interconexiones eléctricas tradicionales se enfrentan cada vez más a desafíos relacionados con:
- pérdida de transmisión
- consumo de energía
- densidad de ancho de banda
- integridad de la señal
- distancia de transmisión
Las interconexiones de cobre siguen siendo esenciales, pero la comunicación óptica se vuelve cada vez más atractiva a medida que aumentan los requisitos de ancho de banda.
Esta es una razón por la que la óptica coempaquetada, o CPO, ha recibido tanta atención.
En lugar de depender completamente de conexiones eléctricas entre procesadores de alto rendimiento y módulos ópticos, CPO acerca los motores ópticos al silicio de conmutación o computación.
El objetivo es reducir la longitud de las conexiones eléctricas de alta velocidad y transferir más datos ópticamente.
La SOI es una de las plataformas de sustrato más importantes para la fotónica de silicio.
Por qué la SOI funciona bien para la fotónica de silicio
Una oblea SOI fotónica típica contiene:
- una fina capa de dispositivo de silicio
- una capa de óxido enterrada
- una oblea portadora de silicio
La capa superior de silicio se puede estructurar en guías de onda ópticas.
El óxido enterrado proporciona aislamiento óptico entre la guía de onda de silicio y el sustrato de silicio subyacente.
Las estructuras comunes de fotónica de silicio incluyen:
- guías de onda
- resonadores anulares
- moduladores
- acopladores ópticos
- interferómetros Mach-Zehnder
- plataformas de integración de fotodetectores
En muchas plataformas fotónicas comerciales, la capa de dispositivo de silicio tiene solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor.
Por ejemplo, aproximadamente 220 nm de silicio sobre un óxido enterrado a escala micrométrica se utiliza ampliamente en fotónica de silicio.
Esto significa que los requisitos de las obleas SOI para fotónica son muy diferentes de los de MEMS o aplicaciones de RF convencionales.
La uniformidad del espesor, la calidad de la superficie y el control de BOX se vuelven particularmente importantes.
Los centros de datos de IA podrían impulsar una mayor demanda de SOI fotónica
La importancia de la fotónica de silicio está estrechamente relacionada con el crecimiento de los centros de datos de IA.
Los clústeres de IA requieren comunicación extremadamente rápida:
dentro del servidor
entre aceleradores
entre racks
y cada vez más
entre grandes grupos de sistemas informáticos.
A medida que la comunicación eléctrica se acerca a los límites prácticos en potencia y densidad de ancho de banda, las tecnologías de interconexión óptica se vuelven más importantes.
Esto significa que la SOI puede servir cada vez más no solo a dispositivos semiconductores tradicionales, sino también a la infraestructura de comunicación óptica que rodea a los procesadores de IA.
En otras palabras:
El auge de la IA no solo está aumentando la demanda de obleas de computación. También está aumentando la demanda de los materiales que mueven datos entre los dispositivos de computación.
2. Los sustratos de vidrio se acercan al empaquetado avanzado
Otro material que está recibiendo cada vez más atención es el vidrio.
El vidrio se ha utilizado en electrónica y fabricación de semiconductores durante muchos años.
Las aplicaciones incluyen:
- obleas portadoras
- MEMS
- componentes ópticos
- unión temporal
- tecnología de visualización
Pero el empaquetado avanzado está creando una nueva oportunidad:
sustratos de núcleo de vidrio e interpositores de vidrio.
Los paquetes de IA modernos pueden combinar:
- dioses de GPU o aceleradores de IA
- múltiples chiplets
- pilas HBM
- interpositores
- sustratos de empaquetado
A medida que aumentan las dimensiones del paquete, la estabilidad dimensional se vuelve cada vez más importante.
Los materiales de sustrato orgánico tradicionales pueden enfrentar desafíos que incluyen:
- deformación
- expansión térmica
- patronaje de líneas finas
- control dimensional de gran área
El vidrio ofrece varias características atractivas para estas aplicaciones.
Por qué el vidrio es interesante para el empaquetado avanzado
El vidrio puede proporcionar:
- excelente estabilidad dimensional
- coeficiente de expansión térmica controlado
- superficies lisas
- buen aislamiento eléctrico
- compatibilidad con procesamiento de paneles grandes
- potencial para estructuras de interconexión de paso fino
Una de las tecnologías habilitadoras más importantes es:
TGV — Through Glass Via.
Un TGV crea conexiones eléctricas a través del espesor de un sustrato de vidrio.
Después de la formación de los vías, los orificios se pueden metalizar para crear interconexiones eléctricas verticales.
Esto hace que el vidrio sea potencialmente adecuado para:
- interpositores de vidrio
- sustratos de núcleo de vidrio
- paquetes de RF
- integración avanzada de chiplets
- empaquetado de aceleradores de IA
Sin embargo, el empaquetado de vidrio requiere más que simplemente producir una oblea de vidrio.
La cadena de fabricación completa puede incluir:
preparación de vidrio
→ adelgazamiento de precisión
→ formación de TGV
→ metalización
→ capas de redistribución
→ unión
→ empaquetado avanzado
Las empresas que pueden controlar la cadena de proceso completa pueden capturar más valor que los proveedores de vidrio crudo solamente.
3. HBM está convirtiendo la gestión térmica en un problema de materiales
La memoria de alto ancho de banda se ha convertido en una de las tecnologías definitorias del hardware de IA.
HBM mejora el ancho de banda de la memoria apilando múltiples dioses de DRAM verticalmente.
Esto permite que se muevan muchos más datos entre la memoria y los procesadores que con las arquitecturas de memoria convencionales.
Pero hay una consecuencia inevitable:
el apilamiento dificulta la gestión térmica.
Múltiples dioses de silicio generan calor dentro de una estructura vertical compacta.
Al mismo tiempo, las pilas HBM suelen colocarse muy cerca de los aceleradores de IA de alta potencia.
Por lo tanto, un paquete de IA avanzado puede contener varias fuentes térmicas importantes en un área limitada.
El rendimiento térmico se convierte en un problema de diseño a nivel de paquete.
Los paquetes avanzados necesitan mejores materiales de disipación de calor
El cobre tradicional sigue siendo extremadamente importante debido a su:
- alta conductividad térmica
- fabricación madura
- bajo costo relativo
- buena maquinabilidad
Sin embargo, los futuros paquetes de alta potencia pueden requerir materiales con capacidades adicionales.
Los materiales potenciales incluyen:
- cerámicas de AlN
- cerámicas de SiC
- Cu-Mo
- Cu-W
- diamante CVD
- compuestos de diamante y cobre
- materiales avanzados de interfaz térmica
Los parámetros clave de los materiales incluyen cada vez más:
- conductividad térmica
- coeficiente de expansión térmica
- resistencia de la interfaz térmica
- planitud
- rigidez mecánica
- fiabilidad bajo ciclos térmicos
Por lo tanto, el problema térmico ya no se resuelve simplemente acoplando un disipador de calor más grande.
Comienza mucho más cerca del dios semiconductor.
4. Por qué el diamante regresa a la discusión térmica de semiconductores
El diamante está recibiendo una atención renovada debido a una propiedad excepcional:
conductividad térmica muy alta.
El diamante sintético de alta calidad puede conducir el calor de manera mucho más efectiva que muchos materiales convencionales de gestión térmica.
Esto hace que el diamante sea atractivo para eliminar el calor concentrado de dispositivos de alta potencia.
Las aplicaciones potenciales incluyen:
- aceleradores de IA
- procesadores HPC
- dispositivos de RF GaN
- módulos de potencia de semiconductores
- sistemas láser
Sin embargo, el diamante puro también tiene desventajas.
Estos incluyen:
- alto costo
- maquinabilidad difícil
- metalización difícil
- unión desafiante
- economía limitada de gran área
Como resultado, los investigadores y proveedores de materiales exploran cada vez más soluciones híbridas.
Un ejemplo importante es:
Compuesto de Diamante y Cobre.
Por qué el Diamante-Cobre es interesante
Los compuestos de diamante y cobre combinan partículas de diamante con una matriz de cobre.
El objetivo es lograr dos propiedades simultáneamente:
mayor conductividad térmica
y
menor expansión térmica que el cobre convencional.
Esto es atractivo porque el empaquetado de semiconductores se enfrenta frecuentemente a una compensación.
El cobre conduce bien el calor pero tiene un coeficiente de expansión térmica relativamente alto.
Los materiales de CTE bajo como el tungsteno y el molibdeno pueden mejorar la estabilidad dimensional pero a menudo reducen la conductividad térmica cuando se agregan al cobre.
El diamante ofrece una posibilidad diferente porque tiene ambos:
- conductividad térmica extremadamente alta
- expansión térmica muy baja
En principio, los compuestos de Diamante/Cu pueden, por lo tanto, mejorar la conductividad térmica al tiempo que reducen el CTE.
La interfaz es más importante que el contenido de diamante
Un compuesto de Diamante-Cobre no es automáticamente de alto rendimiento simplemente porque contiene un gran porcentaje de diamante.
El problema más difícil es la interfaz entre:
diamante
y
cobre.
El cobre no se une eficientemente de forma natural al diamante.
Un mal contacto de interfaz puede crear una resistencia térmica sustancial.
Esto significa que el calor no puede moverse eficientemente de:
cobre → diamante → cobre.
Por lo tanto, los fabricantes utilizan técnicas de ingeniería de interfaz que involucran elementos formadores de carburo como:
Estos elementos pueden mejorar la unión diamante-cobre.
Sin embargo, la capa de interfaz también debe controlarse cuidadosamente.
Si se vuelve demasiado gruesa, la interfaz en sí misma puede convertirse en una barrera térmica.
Esto ilustra una tendencia importante en materiales semiconductores avanzados:
El rendimiento futuro depende cada vez más de la ingeniería de interfaces, no solo de las propiedades del material a granel.
5. El SiC sigue siendo un material semiconductor importante
Aunque la IA recibe una enorme atención, la electrificación continúa impulsando otra importante transición de semiconductores:
la expansión de los dispositivos de potencia de carburo de silicio.
El SiC se ha vuelto importante para aplicaciones que incluyen:
- vehículos eléctricos
- inversores de tracción para VE
- carga rápida
- inversores solares
- almacenamiento de energía
- sistemas de potencia industrial
- conversión de potencia de alto voltaje
En comparación con los dispositivos de potencia de silicio convencionales, el SiC puede permitir:
- mayor voltaje de operación
- mayor frecuencia de conmutación
- menores pérdidas de conmutación
- operación a mayor temperatura
- componentes pasivos más pequeños
Pero a medida que la industria del SiC madura, la pregunta está cambiando.
Hace varios años, la discusión a menudo se centraba en:
¿Puede el SiC reemplazar al silicio en aplicaciones de alta potencia?
Hoy, la pregunta más práctica es:
¿Cómo se puede reducir el costo de fabricación del SiC?
La fabricación de SiC se está convirtiendo en una competencia de rendimiento y costo
Los sustratos de SiC son difíciles de fabricar.
Los desafíos ocurren en toda la cadena de procesamiento:
- crecimiento de cristales
- corte
- rectificado
- pulido
- CMP
- limpieza
- epitaxia
- inspección de obleas
- fabricación de dispositivos
El SiC es extremadamente duro y quebradizo.
Esto hace que el corte y pulido de obleas sea más lento y costoso que el procesamiento de silicio convencional.
Los defectos del sustrato también pueden influir en el rendimiento final del dispositivo.
A medida que el SiC avanza hacia la fabricación de mayor volumen, el enfoque se desplaza cada vez más hacia:
- diámetros de oblea más grandes
- mayor calidad de cristal
- menor densidad de defectos
- reducción de la pérdida de kerf
- pulido más rápido
- mejor planitud de la oblea
- mejor rendimiento del proceso
Esto significa que existen oportunidades no solo en las obleas de SiC en sí, sino en toda la cadena de suministro de materiales y equipos de SiC.
6. El GaN encuentra nuevas oportunidades en sistemas de potencia de IA
El nitruro de galio es otro importante semiconductor de banda ancha.
El GaN es particularmente atractivo donde:
- alta frecuencia de conmutación
- alta eficiencia
- conversión de potencia compacta
son importantes.
Los centros de datos de IA consumen enormes cantidades de electricidad.
Por lo tanto, reducir la pérdida de conversión de potencia en toda la arquitectura del servidor y el rack es cada vez más valioso.
Los dispositivos GaN se pueden utilizar en aplicaciones de conversión de potencia de alta frecuencia que incluyen:
- fuentes de alimentación de servidores
- convertidores DC-DC
- adaptadores de potencia de alta densidad
- sistemas de alimentación de telecomunicaciones
Esto crea otra conexión importante entre la IA y los materiales semiconductores.
La demanda de IA no solo crea demanda de procesadores.
También aumenta la demanda de la electrónica de potencia necesaria para operar esos procesadores de manera eficiente.
SiC y GaN son más complementarios que competitivos
El SiC y el GaN a menudo se presentan como tecnologías semiconductoras competidoras.
En la práctica, a menudo abordan diferentes partes del mercado de la electrónica de potencia.
El SiC funciona particularmente bien en:
- aplicaciones de alto voltaje
- sistemas de alta potencia
- tracción automotriz
- potencia de red e industrial
El GaN es muy atractivo para:
- conmutación de alta frecuencia
- convertidores de potencia compactos
- aplicaciones de voltaje bajo a medio
- electrónica de potencia de centros de datos
Por lo tanto, es probable que el futuro mercado de semiconductores de potencia utilice:
silicio + SiC + GaN
en lugar de seleccionar un único material universal.
7. Las cerámicas semiconductoras se están volviendo más importantes
Otra categoría menos visible pero cada vez más importante son los materiales cerámicos avanzados.
Los equipos de semiconductores dependen de cerámicas de precisión para componentes como:
- chucks de obleas
- placas calefactoras
- componentes aislantes
- piezas de cámara de plasma
- portadores de obleas
- etapas de precisión
- componentes de vacío
Los materiales importantes incluyen:
- Alúmina
- Nitruro de Aluminio
- Carburo de Silicio
- Nitruro de Silicio
- Ytria
Cada material resuelve un problema de ingeniería diferente.
Alúmina
La alúmina ofrece:
- excelente aislamiento eléctrico
- buena resistencia química
- alta dureza
- procesamiento maduro
- costo relativamente controlado
Sigue siendo una de las cerámicas técnicas más utilizadas.
Nitruro de Aluminio
El AlN es especialmente atractivo cuando ambos:
aislamiento eléctrico
y
alta conductividad térmica
son requeridos.
Esto lo hace útil para:
- sustratos de semiconductores de potencia
- componentes calefactores
- estructuras de gestión térmica
- empaquetado electrónico
Cerámica de SiC
La cerámica de SiC proporciona:
- alta rigidez
- alta conductividad térmica
- baja expansión térmica
- excelente resistencia al desgaste
- estabilidad a alta temperatura
Estas características la hacen atractiva para componentes de equipos semiconductores que deben permanecer dimensionalmente estables bajo condiciones térmicas cambiantes.
La IA está conectando mercados de materiales previamente separados
Una de las tendencias más interesantes en semiconductores es que los materiales que antes pertenecían a industrias relativamente separadas se están convirtiendo en parte del mismo sistema.
Considere una plataforma de computación de IA avanzada.
Puede requerir:
SOI
para fotónica de silicio y comunicación óptica.
Vidrio
para empaquetado avanzado de próxima generación.
HBM
para memoria de alto ancho de banda.
cerámicas de AlN o SiC
para gestión térmica y equipos semiconductores.
materiales a base de diamante
para disipación de calor extrema.
GaN
para conversión de potencia de alta eficiencia en centros de datos.
SiC
para infraestructura de energía de alta potencia.
Estos materiales realizan funciones completamente diferentes.
Pero la IA los está conectando a través de los mismos requisitos de ingeniería:
- más ancho de banda
- mayor integración
- mayor eficiencia energética
- menor resistencia térmica
De la escala de procesos a la escala de sistemas
Por lo tanto, la industria de semiconductores está entrando en una forma más amplia de escalado.
El escalado tradicional se centró principalmente en hacer transistores más pequeños.
Las futuras mejoras de rendimiento dependen cada vez más de:
**escalado de transistores
- escalado de empaquetado
- escalado de memoria
- escalado óptico
- escalado de potencia
- escalado térmico**
Es por eso que los materiales avanzados se están volviendo estratégicamente importantes.
Un transistor más rápido proporciona un beneficio limitado si los datos no pueden llegar a él rápidamente.
Un acelerador de IA más grande proporciona un beneficio limitado si se sobrecalienta.
Más HBM proporciona un beneficio limitado si la densidad de empaquetado se vuelve imposible de gestionar.
El empaquetado y los materiales avanzados se están convirtiendo en parte de la ecuación de rendimiento.
¿Qué materiales semiconductores debería observar la industria a continuación?
Varias categorías merecen especial atención.
SOI fotónica
Impulsado por la fotónica de silicio, la comunicación óptica de alta velocidad y CPO.
Sustratos de vidrio
Impulsado por chiplets, HBM, empaquetado avanzado de gran área y tecnología TGV.
SiC
Impulsado por vehículos eléctricos, potencia industrial, energía renovable y electrónica de alto voltaje.
GaN
Impulsado por la conversión de potencia de alta frecuencia y la eficiencia de los centros de datos.
Cerámicas de alta conductividad térmica
Impulsado por la densidad de potencia y equipos semiconductores avanzados.
Materiales térmicos a base de diamante
Impulsado por flujos de calor extremos en IA, RF y dispositivos de alta potencia.
Estos materiales no reemplazarán al silicio.
En cambio, rodearán cada vez más al silicio y le permitirán continuar escalando a nivel de sistema.
Conclusión
La revolución de los semiconductores de IA se está convirtiendo en una revolución de materiales.
Durante décadas, la pregunta más importante de la industria fue:
¿Qué tan pequeño podemos hacer el transistor?
Esa pregunta sigue siendo importante.
Pero ya no es suficiente.
La próxima generación de sistemas semiconductores también debe responder:
¿Qué tan rápido pueden moverse los datos?
¿Qué tan estrechamente se pueden integrar múltiples dioses?
¿Qué tan eficientemente se puede convertir la energía?
¿Qué tan rápido se puede eliminar el calor?
Estas preguntas están aumentando la importancia de las obleas SOI, los sustratos de vidrio, el SiC, el GaN, las cerámicas avanzadas y los materiales térmicos a base de diamante.
Por lo tanto, el futuro del rendimiento de los semiconductores dependerá no solo de mejores chips, sino de mejores materiales que rodeen a esos chips.
La próxima fase de competencia puede definirse menos por un único avance de material y más por la capacidad de integrar múltiples materiales especializados en un sistema de alto rendimiento.
En la era de la IA, la innovación en semiconductores va más allá de simplemente hacer chips más pequeños.
Se trata cada vez más de permitir que los chips se comuniquen más rápido, se empaqueten de forma más densa, consuman energía de manera más eficiente y operen a temperaturas más bajas.
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