La puissance de calcul de l’IA est étouffée parmatériels.
Lip-Bu Tan, PDG d'Intel, a cité le diamant, le carbure de silicium (SiC), le phosphure d'indium (InP), le nitrure de gallium (GaN) et les substrats en verre comme cinq matériaux clés essentiels pour éliminer le goulot d'étranglement. Pendant ce temps, les initiés de l'industrie ont carrément averti : "Une capacité de production laser InP insuffisante est le principal point d'étranglement pour les optiques co-emballées (CPO)."
Cela signifie que quelle que soit la puissance des puces GB200/300 de Nvidia, sans le support de matériaux avancés, les données ne peuvent tout simplement pas circuler à grande vitesse.
Il ne s’agit pas seulement d’un problème de capacité : c’est un défi qui repousse les limites de la science des matériaux. De l'alimentation électrique SiC/GaN et du conditionnement de substrats en verre-(comme le souligne Tan), au niobate de lithium et au SOI pour les solutions d'interconnexion optique, et aux substrats en diamant et en céramique pour la dissipation thermique sous des charges de puissance extrêmes,matérielssont devenus le champ de bataille invisible de la seconde moitié de l’IA. Celui qui percera le premier détiendra la clé de la domination informatique.
Diamant
À mesure que la puissance de calcul de l'IA s'accélère à une vitesse vertigineuse, la dissipation thermique dans les puces-haut de gamme devient de plus en plus importante. Le Rubin Ultra de Nvidia, par exemple, devrait dépasser 2 300 W par puce, avec des densités de flux thermique local dépassant 1 000 W/cm² – un niveau de chaleur presque inimaginable. Les dissipateurs de chaleur traditionnels en cuivre et en aluminium atteignent leurs limites physiques. Le diamant, avec sa conductivité thermique ultra-élevée, est devenu l'un des principaux candidats parmi les nouveaux matériaux semi-conducteurs.
Largement connu pour son extrême dureté – la substance naturelle la plus dure, avec une dureté Mohs de 10 – le diamant est également l'un des meilleurs conducteurs thermiques naturels, avec une conductivité thermique allant jusqu'à 2 200 W/(m·K), 5,5 fois celle du cuivre et 11 fois celle de l'aluminium. C'est également un isolant électrique et son coefficient de dilatation thermique correspond étroitement à celui du silicium, du SiC et du GaN. Les observateurs du secteur l'ont noté : lorsque la puissance d'une seule puce dépasse 1 400 W, le diamant n'est plus une "option" : il devient une "nécessité".
La prochaine-génération de GPU à architecture Vera Rubin de Nvidia a entièrement adopté une solution de "refroidissement liquide par contact direct à + 45 degrés en matériau composite diamant-cuivre-, et l'industrie a même marqué 2026 comme la "première année d'adoption à grande échelle-de la dissipation thermique du diamant".
Carbure de silicium (SiC)
La puissance des racks des centres de données IA passe de dizaines de kilowatts à des centaines de kilowatts, avec des racks à l'échelle du mégawatt-à l'horizon. À mesure que les niveaux de courant et de tension augmentent, la conversion de puissance traditionnelle à base de silicium- souffre de pertes énormes. De plus, l’IA exige des matériaux qui dissipent rapidement la chaleur, consomment moins d’énergie, occupent un minimum d’espace et résistent à des températures élevées.
Le SiC offre une tension de claquage élevée, des performances stables à haute température et des pertes de commutation bien inférieures à celles du silicium. Son encombrement compact et son excellente fiabilité en font le choix idéal pour les architectures CC haute tension -800 V (HVDC) : il atteint des rendements supérieurs à 97 % dans les étages de redressement d'entrée haute-et de correction du facteur de puissance (PFC), et réduit les pertes de transmission de plus de 30 % dans les systèmes CCHT 800 V. Les nouveaux centres de données construits par Nvidia, Microsoft et d'autres géants de la technologie ont déjà adopté en standard des architectures d'alimentation basées sur SiC-. Les fabricants chinois tels que TankeBlue Semiconductor accélèrent la production de masse de substrats de 8 pouces et d'épitaxie afin de réduire les coûts des plaquettes.
Nitrure de gallium (GaN)
Le GaN et le SiC forment une division claire entre « haute-tension et basse-tension » : le SiC reste dans la salle des serveurs, tandis que le GaN se déplace dans les racks.
Le GaN présente une mobilité électronique élevée et une densité de puissance exceptionnelle, excellant dans la conversion de puissance à haute-fréquence, basse-tension et haute-densité. Dans les modules d'alimentation GPU, les convertisseurs CC-CC-CC haute fréquence et les alimentations de serveur (où l'espace et la vitesse de réponse sont critiques), le GaN peut réduire la taille de l'alimentation tout en augmentant la densité de puissance. Le processus GaN 8- pouces de Samsung a déjà permis de réduire ses coûts de 30 % et accélère son adaptation au déploiement de centres de données à grande échelle.
Phosphure d'indium (InP)
Le phosphure d'indium est irremplaçable : il s'agit du seul matériau de substrat-produit en série pour les puces laser et photodétecteurs, parfaitement adapté aux fenêtres à faible-perte de 1 310 nm et 1 550 nm de la communication par fibre-optique. Dans le domaine CPO, l'approche dominante de l'industrie intègre des moteurs optiques et des puces électriques sur le même substrat, et les -dispositifs émetteurs de lumière à grande vitesse-au cœur du CPO s'appuient à 100 % sur des lasers InP.
Pour en revenir à l’avertissement de ce dirigeant de l’industrie : derrière ces mots se cachent un ensemble de chiffres saisissants. En 2025, la demande mondiale de substrats InP est estimée entre 2,0 et 2,1 millions de pièces, alors que l'offre effective n'est que de 600 000 à 700 000 pièces – un écart entre l'offre et la demande dépassant 70 % et qui devrait persister jusqu'en 2030. Goldman Sachs a publié une prévision encore plus directe : "L'offre de sources lumineuses restera tendue jusqu'en 2027 et pourrait seulement commencer à s'équilibrer dans la seconde moitié de 2028. à mesure que les expansions de la capacité de la chaîne d’approvisionnement se mettent en place. »
Niobate de lithium en-couche mince (TFLN)
Tirant parti du fort effet électro-optique linéaire-(effet Pockels) du niobate de lithium, le niobate de lithium à film mince-permet une modulation de signal optique à bande passante élevée-et à haute-linéarité (haute-fidélité) à de faibles tensions de commande. Cela le rend bien-adapté aux applications de transmission optique à moyenne- à longue-distances et à bande passante élevée-telles que les réseaux fédérateurs et les réseaux métropolitains. De plus, son contraste d'indice de réfraction élevé et son excellent confinement optique permettent une intégration plus élevée, améliorant ainsi la taille de l'appareil et la consommation d'énergie.
Dans les modulateurs optiques, le niobate de lithium en couche mince-offre un coefficient électro-optique trois fois supérieur à celui de l'InP et plus de cent fois supérieur à celui de la photonique sur silicium. Avec seulement 1,8 V, il peut atteindre une modulation à ultra-haute-vitesse au-delà de 100 GHz, réduisant ainsi la consommation d'énergie de 30 à 50 %, tandis qu'un seul canal peut facilement fonctionner à 400 G.
Alors que la puissance de calcul de l’IA explose, les interconnexions optiques des centres de données passent de 400G à 800G, 1,6T et 3,2T. Les limites de performances des matériaux traditionnels deviennent de plus en plus évidentes, et le niobate de lithium à couche mince-est sur le point de devenir un matériau essentiel pour la modulation de transmission optique à haute vitesse-de prochaine génération-. Actuellement, seules quatre entreprises dans le monde maîtrisent les-capacités de production de masse de plaquettes haut de gamme de 8-pouces-, avec un écart entre l'offre et la demande dépassant 70 %.
SOI (silicium-sur-isolant)
Si le silicium est la « chair » d’une puce, le SOI est le « squelette » de la photonique sur silicium. Cette structure sandwich « silicium-oxyde enterré-substrat supérieur », en insérant une couche isolante de dioxyde de silicium sous la couche de silicium, élimine complètement la diaphonie entre les électrons et les photons. Il réduit la capacité parasite de plus de 60 %, permettant aux signaux électriques de fonctionner plus rapidement et plus efficacement. Plus important encore, la grande différence d'indice de réfraction entre le silicium supérieur et la couche d'oxyde forme naturellement les « parois » d'un guide d'onde optique, permettant aux signaux optiques de se plier et de se transmettre avec une perte minimale sur la puce.
À l’ère de l’IA, le SOI est le substrat de base irremplaçable pour la fabrication de modules optiques, de moteurs CPO et de puces quantiques. La capacité de production mondiale est fortement concentrée chez Soitec en France, ce qui fait de la localisation nationale une priorité urgente.
Substrats en verre
Alors que les GPU, les HBM et l'empilement de chipsets orientent les emballages vers des interconnexions de grande taille, haute densité et haut débit, les substrats organiques traditionnels et les interposeurs en silicium sont de plus en plus confrontés à des limitations en termes de taille, de coût et de performances.
Les substrats en verre, via des vias en verre (TGV) pour l'interconnexion électrique verticale, comblent précisément le vide du marché entre les substrats organiques et les interposeurs en silicium. Ils offrent un coefficient de dilatation thermique réglable (adapté aux puces de silicium), une perte diélectrique extrêmement faible et une planéité de surface ultra-élevée. Les tests Intel ont montré qu'ils peuvent réduire la distorsion des modèles de 50 % et augmenter la densité d'interconnexion jusqu'à 10 fois.
Les leaders mondiaux des semi-conducteurs accélèrent rapidement leurs investissements : Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group et LG Group sont tous entrés dans l'arène, lançant une course commerciale autour des substrats en verre.
Substrats céramiques
Dans un emballage intégré à haute-densité, les appareils à haute-puissance fonctionnant simultanément génèrent d'énormes quantités de chaleur concentrée, et le substrat de l'emballage est le principal composant de dissipation de la chaleur-. Alors que la puissance des puces IA dépasse le seuil de 2 000 W, les substrats organiques FR-4 traditionnels, avec leur faible conductivité thermique (seulement 0,3 W/(m·K)) et leur inadéquation de dilatation thermique, sont confrontés à de graves risques de déformation et de délaminage. Les substrats céramiques, avec leurs avantages inhérents de conductivité thermique élevée, d'isolation électrique élevée et d'excellente adaptation thermique, sont devenus une nécessité pour les scénarios de forte puissance.
Parmi eux, le nitrure d'aluminium (AlN), avec une conductivité thermique de 170 à 220 W/(m·K), est le premier choix pour la dissipation thermique dans les modules optiques haute vitesse 800G/1,6T-. Le nitrure de silicium (Si₃N₄), avec son excellente résistance à la flexion et aux chocs thermiques, sert de base d'emballage pour les modules de puissance SiC/GaN haute tension-.