Pinabibilis ng pagtutulak ng Nvidia sa PTFE ang labanan sa mga materyales para sa mga circuit board ng AI

Pumasok sa karera ng AI hardware ang isang pamilyar na materyal na hindi dinidikitan

Nakatuon ang pansin sa polytetrafluoroethylene, o PTFE, habang naghahanap ang Nvidia ng mas mabilis na mga koneksiyon sa loob ng mga AI system. Kilala ang materyal na ito sa tatak na Teflon. Kaakit-akit ito dahil sa katangian nitong elektrikal: nakatutulong ang PTFE na maglakbay ang mga signal sa isang circuit board habang mas kaunti ang nawawalang enerhiya kumpara sa paggamit ng karaniwang mga materyales na panangga.

Ang hamon ay kung paano magagawa ang maaasahang mga board na may dose-dosenang patong gamit ang materyal na ito. Hindi madaling dumikit ang PTFE sa ibang materyales, medyo malambot ito at mahirap iproseso. Dahil sa mga katangiang ito, nahahati ang mga manufacturer sa pagitan ng pag-iingat at pamumuhunan. Sinisikap samantalahin ng mga supplier na Tsino ang mga oportunidad, habang pinag-iisipan ng mga kumpanyang Taiwanese ang mga alternatibong materyales at gastos sa pagmamanupaktura.

Nagpakita ang Nvidia ng bagong NVLink switch board sa isang summit ng Open Compute Project noong unang bahagi ng Oktubre. Naniniwala ang mga kalahok sa industriya na maaaring gumagamit ito ng PTFE. Kabilang sa mga posibleng aplikasyon ang mga switch para sa Rubin Ultra at mga susunod na orthogonal midplane, mga connection board na nagdurugtong sa iba pang board na nakahanay nang patayo sa isa't isa. Hindi pa isinisiwalat ang kumpirmadong iskedyul ng produksyon at pinal na mga espesipikasyon ng materyal.

Hindi lamang isang uri ng resin ang pinag-aagawan. Nahaharap sa matinding pangangailangan ang copper foil, fiberglass cloth, mga makinang pangdiin at kapasidad ng pabrika, dahil nangangailangan ang mga AI server ng mas masasalimuot na board. Naghahanap ang mga customer ng mga kasunduan sa kapasidad para sa 2027 hanggang 2030, habang umaabot nang 30 buwan ang paghihintay para sa ilang makinang pangproduksiyon.

Bakit gusto ng Nvidia na mas malayo ang marating ng mga signal

Kailangang magpalitan ng napakaraming impormasyon ang mga AI processor upang magtulungan. Dinadala ng printed circuit board, o PCB, ang mga piyesa at nagbibigay ng mga daanan para sa mga signal at kuryente. Habang papalapit sa 200 gigabit bawat segundo kada lane ang bilis ng pagpapadala, lalong nagiging mahirap panatilihing buo ang mga signal.

Napakababa ng dielectric loss ng PTFE, ibig sabihin, mas kaunting enerhiya ng signal ang sinisipsip ng materyal na panangga sa paligid ng daanan ng tanso. Ginagamit na ito sa mahihirap na aplikasyon gaya ng mga radar militar, satellite at radar sa mga advanced driver assistance system. Kung gagamitin din ito sa masasalimuot na board ng AI server, madadala ang bentaheng elektrikal nito sa mas malaking hamon sa pagmamanupaktura.

Ayon sa mga ulat mula sa industriya, nais ng Nvidia na mapabilis ang direktang pagpapalitan ng signal sa pagitan ng mga board, na maaaring pumalit sa ilang masasalimuot na koneksiyon gamit ang kable na tanso. Mas mabigat ang hinihingi sa materyal sa paligid ng mas mahahabang daanan ng tanso, dahil naiipon ang pagkawala ng signal habang naglalakbay ito.

Isa pang paraan para mapabilis ang komunikasyon ang co-packaged optics, na naglalapit ng mga optical connection sa mga chip na ginagamit sa pag-compute o pagpapalit ng koneksiyon. Bago maging handa ang teknolohiyang ito para sa mga pinag-uusapang aplikasyon, mas agarang opsiyon sa disenyo ang pagpapahusay ng materyal ng board. Ang praktikal na tanong ay kung maihahatid ng mga manufacturer ang kinakailangang pagganap na elektrikal sa katanggap-tanggap na halaga at dami ng produksyon.

Ang katangiang kapaki-pakinabang sa kawali ay nagpapahirap sa paggawa ng board

Ang copper clad laminate, o CCL, ay pangunahing materyal sa paggawa ng mga circuit board. Karaniwan itong binubuo ng copper foil na pinagsama sa resin at pampatibay na fiberglass. Pinoproseso at pinagdurugtong ng mga manufacturer ang mga materyales na ito upang mabuo ang mga patong na nagdadala ng mga koneksiyong elektrikal ng server.

Maaaring magdikit ang mga karaniwang sistema ng resin, kabilang ang epoxy, polyphenylene oxide at hydrocarbon resin, kapag pinainitan at tumigas matapos i-cure. Dahil dito, mas madaling isagawa ang kasunod na pagbabarena, paglalagay ng metal coating at pag-assemble. Mas mahirap ang gawain dahil hindi madaling dumikit ang PTFE: kailangang manatiling matibay ang pagkakadugtong ng mga patong sa buong proseso ng pagmamanupaktura at habang ginagamit.

Hindi rin sapat ang tigas ng PTFE para magamit ito nang mag-isa sa kabuuan ng makakapal at masasalimuot na board ng mga AI server. Karaniwang isinasaalang-alang ng mga manufacturer ang mga hybrid na estrukturang pinagsasama ang PTFE at mas matitigas na materyales. Layunin ng mga disenyong ito na gamitin ang materyal na may pinakamababang pagkawala ng signal sa mga bahaging higit na nangangailangan nito, habang pinananatili ang mekanikal na tibay sa ibang bahagi.

Maaaring mangailangan ng malalaking pagbabago sa pabrika ang pagproseso nito. Tinataya ng industriya na umaabot sa humigit-kumulang 300 digri Celsius ang temperatura ng paglalamina para sa ilang multilayer na PTFE board. Maaaring walang angkop na kagamitan ang mga karaniwang linya ng produksyon ng PCB, kaya maaaring mangailangan ang pagpapalit ng materyal ng mga bagong makina, binagong proseso at pagbabago sa ilang supplier.

Pag-iingat ng Taiwan at pamumuhunan ng Tsina

Sinabi ni Tung Ting-yu, chairman ng Unimicron, na nilapitan ng Nvidia ang kumpanya tungkol sa pagpapaunlad ng PTFE tatlong taon na ang nakararaan. Sa salaysay niya, bahagi ng dahilan ng unang interes ng Nvidia ang kakulangan sa advanced laminate. Kinuwestiyon din niya kung magiging pangunahing materyal sa mga circuit board ang PTFE.

Iba ang pananaw ni Pu Deyu, pinuno ng pananaliksik sa electronics at komunikasyon sa ibang bansa sa GF Securities. Ayon sa kaniya, nagmumula ang pangangailangan sa disenyo ng produkto: maaaring hindi pa rin sapat ang transmisyon ng signal gamit ang advanced M9 material sa mga board na may mahigit 70 patong. Nakikita rin niyang magpapalakas sa pangangailangan sa PTFE ang mga aplikasyon sa hinaharap para sa pag-compute sa kalawakan.

Mga kumpanyang Tsino ang karamihan sa mga manufacturer na iniuugnay sa paggawa ng PTFE para sa Nvidia, bukod sa isang Amerikanong gumagawa ng board, ayon sa mga ulat mula sa industriya. Kabilang dito ang supplier ng laminate na Shengyi Technology at ang manufacturer ng PCB na Victory Giant Technology, na malaki ang ipinuhunang kagamitan para pagsilbihan ang Nvidia.

Kabilang sa mga kalahok na nakalista sa Taiwan ang Taiflex, na gumagawa ng flexible copper clad laminate, at ang manufacturer ng flexible circuit na Flexium. Wala sa dalawa ang pangunahing supplier ng mga PCB para sa AI server. Ipinakikita ng kanilang paglahok na lagpas sa mga nakasanayang gumagawa ng matitigas na server board ang oportunidad, bagaman nananatiling malaking hamon ang pagpapalaki ng komersiyal na produksyon.

Naghahanda ang Taiflex at E Ink para sa produksyon

Inaprubahan ng board ng Taiflex noong Oktubre 28 ang memorandum of understanding kasama ang E Ink para bumuo ng mga materyales na PTFE. Pinagsasama sa plano ang mga materyales ng Taiflex at ang pagsubok na produksyon at beripikasyon sa mga pasilidad ng E Ink sa Hsinchu at Guanyin, Taiwan.

Magbibigay ang Taiflex ng mahahalagang materyales at bubuo ng PTFE laminate para sa mabilis na transmisyon ng signal. Mag-aambag naman ang E Ink ng pananaliksik sa materyales, surface treatment at pamamahala sa pagmamanupaktura. Lalo nang mahalaga ang surface treatment dahil mahirap iproseso ang materyal na hindi madaling dumikit sa iba.

Sinabi ni Chen Yung-heng, chairman ng Taiflex, na ilang taon nang namumuhunan ang kumpanya sa copper clad laminate at mga advanced na elektronikong materyales, kabilang ang teknolohiya at mga produktong PTFE. Iniuugnay ng iminungkahing pagtutulungan ang gawaing pagpapaunlad na iyon sa mga pasilidad kung saan masusubok ang mga proseso ng pagmamanupaktura.

Kailangan pa ring repasuhin ng board ng E Ink ang pakikipagtulungan. Hindi pa napagkakasunduan ang mga komersiyal na tuntunin at detalye ng pagpapatupad, at nakasalalay sa magiging progreso ang anumang susunod na kontrata sa pagmamanupaktura. Nakatakdang maging mga lugar ng pagsubok ang dalawang pasilidad, hindi pa kumpirmadong lokasyon ng komersiyal na produksyon ng PTFE.

Magkasamang may hawak ang E Ink at ang subsidiary nito sa mga materyales ng humigit-kumulang 9% ng Taiflex noong panahong tinutukoy. Sinabi ni Johnson Lee, chairman ng E Ink, na nagsimula ang pamumuhunan nila sa Taiflex mga apat na taon na ang nakararaan. Unti-unting lumalim ang ugnayang operasyonal ng mga kumpanya sa pamamagitan ng ilang hakbang:

• Abril 2: Naging chairman ng Taiflex si Chen Yung-heng.
• Mayo 27: Nakuha ng E Ink ang apat na puwesto sa board ng Taiflex sa halalan para sa board.
• Hulyo 29: Naging vice chairman ng Taiflex si Johnson Lee.
• Oktubre 28: Inaprubahan ng board ng Taiflex ang iminungkahing pakikipagtulungan sa PTFE.

Mas maraming patong ang nangangahulugan ng mas maraming materyales, hindi lamang mas maraming order

Bahagi ng dahilan ng tumataas na pangangailangan sa laminate para sa mga AI server ang mas maraming patong sa mga board ng mga ito. Maaaring may mga 16 hanggang 20 patong ang karaniwang server board, samantalang umaabot na sa 30 hanggang 40 o higit pa ang mga board ng AI server. Ipinakikita ng paghahambing ng 20 at 40 patong ang pagbabago: kailangang bumuo ng dobleng dami ng patong sa bawat board, bagaman nakadepende rin ang aktuwal na konsumo ng materyal sa laki at disenyo nito.

Humaba ang paghihintay sa paghahatid ng laminate mula sa humigit-kumulang dalawa hanggang apat na linggo at umabot na sa tatlong buwan o kalahating taon. Inilalaan na sa ilang customer ang suplay ng mga advanced na fiberglass cloth, kaya nalilimitahan ang daming makukuha ng bawat isa kahit gusto pa nilang mag-order ng higit pa.

Bumabagal din ang produksyon ng fiberglass habang humihigpit ang mga kinakailangan. Inililipat ng mga supplier ang kapasidad mula sa karaniwang electronic glass cloth patungo sa mga produktong may mas mahusay na katangiang elektrikal. Ayon sa mga tantiya ng industriya, maaaring bumaba nang 50% hanggang 70% ang kapasidad sa produksyon kapag lumipat mula sa mas makapal na cloth tungo sa mas maninipis na bersiyon.

Tinutukoy ng Morgan Stanley ang apat na limitasyon sa malapit na hinaharap: pagproseso ng PTFE, kakulangan sa manipis na E-glass, mahabang paghihintay sa mga EPM lamination press at mga glass substrate na inaasahan nitong aabutin pa ng dalawa hanggang tatlong taon bago maging komersiyal. Nakaaapekto ang mga limitasyong ito sa iba't ibang yugto ng produksyon, kaya mahirap mabilis na dagdagan ang suplay ng mga tapos nang board.

Isa lamang ang PTFE sa mga materyales na pinag-aagawan

Ayon sa Morgan Stanley, pinag-aaralan ng mga gumagawa ng laminate sa Taiwan ang mga hydrocarbon resin, kombinasyon ng hydrocarbon resin at PTFE, at benzocyclobutene, na kilala bilang BCB. Nakadepende ang pagpili sa pagganap na elektrikal, kadalian sa pagproseso, gastos at kakayahang maghatid ng magkakaparehong materyal sa malalaking dami.

Isa pang kandidato para sa mahihirap na aplikasyon ang quartz cloth, na madalas tawaging Q cloth. Paborable ang mga katangiang elektrikal nito, ngunit maaaring 50 hanggang 70 ulit ang presyo nito kumpara sa karaniwang fiberglass cloth. Mas mahirap din itong butasan dahil matigas at madaling mabasag.

Maaaring makagawa ang isang drill bit ng humigit-kumulang 2,000 hanggang 3,000 butas sa karaniwang fiberglass board, ngunit maaaring kailanganin itong palitan matapos makagawa ng mga 200 butas lamang sa board na gumagamit ng quartz cloth. Ipinahihiwatig ng mga bilang na ito na maaaring makagawa ng mga 10 hanggang 15 ulit na mas maraming butas ang karaniwang materyal bago kailangang palitan ang bit, kaya malaking gastos sa pagmamanupaktura ang idinaragdag ng quartz.

Nagpapakilala ang mga manufacturer ng mga pamamaraan gaya ng picosecond laser at ultrasonic drilling para tugunan ang mga problema sa pagproseso. Maaari ring gumamit ang mga customer ng pinaghalong materyales sa disenyo, kung saan inilalagay ang advanced M9 o M10 laminate sa mga signal layer na may mahihirap na pangangailangan at ang mas murang materyal naman sa ibang bahagi.

Sinabi ni Tung Ting-yu, chairman ng Elite Material, na maramihan nang ginagawa ang M9, inaasahang darami ang produksyon ng M10 sa susunod na taon, at binubuo pa ang M11. Nagbabago rin ang copper foil: nakatutulong ang mas makikinis na ibabaw na bawasan ang pagkawala habang dumadaloy ang signal sa mga daanan ng tanso. Kaya isang bahagi lamang ng disenyong elektrikal ang pagpili ng resin.

Gumagastos ang mga customer para masiguro ang kapasidad sa hinaharap

Ayon sa Goldman Sachs, sinusuportahan ng mga customer ang pamumuhunan sa kapasidad para sa 2027 hanggang 2030 sa pamamagitan ng mga pangmatagalang kasunduan, subsidiya sa pagpapalawak, paunang bayad o insentibo. Nakatanggap ng ganitong mga kahilingan ang Elite Material, Zhen Ding Technology at ang gumagawa ng copper foil na Co-Tech. Mas gustong panatilihin ng ilang supplier ang kakayahang umangkop kaysa tanggapin ang lahat ng iminungkahing kasunduan.

Makikita sa pagpopondo ang mahabang paghihintay sa mga materyales at makina. Sinabi ni Chien Shan-chieh, chairman at punong opisyal sa estratehiya ng Unimicron, na humaba ang oras ng paghahatid para sa mga 80% ng kagamitan, at umaabot nang 30 buwan ang paghihintay para sa ilang kritikal na makina. Tinataya niyang maaaring umabot sa 20% hanggang 40% ng pangangailangan ang kakulangan sa mahahalagang materyales sa 2027.

Naghahanap din ang Nvidia ng mas malaking kapasidad para sa mga chip substrate, ang mga estrukturang may napakapinong kable na nagdurugtong sa mga chip at iba pang bahagi ng sistema. Iniulat na plano nitong palakihin nang 2.5 ulit ang kaugnay na kapasidad sa loob ng tatlong taon at nagbigay ito ng bilyun-bilyong dolyar ng US bilang paunang bayad sa kapasidad sa IBIDEN ng Japan.

Magkaiba ang gamit ng mga substrate at PCB ng server, ngunit kapwa naaakit ang pamumuhunan ng mga ito dahil sa paglago ng AI hardware. Mas maagang naglalaan ng pera ang mga customer dahil mas matagal ang pagtatayo ng pabrika, paglalagay ng kagamitan at pag-apruba sa produkto kaysa sa paglalagay ng order.

Kakailanganin pa rin ng mga bagong pabrika ang mga aprubadong materyales

Planong mamuhunan ng NT$8 bilyon hanggang NT$10 bilyon ang Co-Tech sa isang planta sa Malaysia na may nakaplanong kapasidad na 30,000 tonelada, para gumawa ng advanced HVLP4 copper foil. Isinumite na rin bilang mga sample ang mga produktong HVLP5. Nakaplanong magbigay ang unang dalawang yugto ng pabrika ng Taiwan Union Technology sa Thailand ng pinagsamang buwanang kapasidad na 1.2 milyong piraso ng laminate, at nakalaan na ang lupa para sa ikatlong yugto.

Nananatiling malaking alalahanin ang kakulangan sa mga hilaw na materyales sa kabila ng mga planong ito sa pagpapalawak. Tinukoy ni Chen Chin-tsai, chairman ng ITEQ, na pinakamalaking hamon ng kumpanya ang kakulangan sa mga materyales. Sinabi ni Tsai Hsin-min, general manager, na halos buwan-buwan tumataas ang presyo ng fiberglass cloth at maaaring hindi magsimulang lumuwag ang suplay hanggang sa ikalawang kalahati ng 2027 o sa 2028.

Lalo ring kinokontrol ng mga end customer ang pagpili ng materyales. Matapos aprubahan ang isang materyal, maaari nilang atasan ang mga manufacturer ng PCB na gamitin ang partikular na produktong iyon. Dahil dito, nakikipagkumpitensya ang mga supplier hindi lamang sa pinakamababang pagkawala ng signal, kundi pati sa maaasahang kalidad at pare-parehong produksyon.

Pinagsasama ng pagtutulak ng Nvidia sa PTFE ang mga kahingian na ito. Kailangang kayanin ng materyal na nagpapabilis sa mga koneksiyon ang pagdiin, pagbabarena, paglalagay ng metal coating at pag-assemble sa maraming patong. Iba't ibang pagsisikap ang pamumuhunan ng Tsina, mga alternatibo ng Taiwan at pakikipagtulungan ng Taiflex para tugunan ang iisang praktikal na pangangailangan: makapaghanda ng mga board na maaasahang gagana sa malalaking dami.

Mahahalagang Punto

• Sinusuri ng Nvidia ang paggamit ng PTFE para sa mahihirap na koneksiyon ng AI dahil mas kaunting enerhiya ng signal ang nawawala rito kumpara sa karaniwang mga materyales na panangga.
• Dahil hindi madaling dumikit, malambot at mahirap iproseso ang PTFE, nagiging masalimuot ang paggawa ng mga board na maraming patong.
• Namumuhunan ang mga supplier na Tsino, habang naghahanap ang mga manufacturer sa Taiwan ng pakikipagtulungan sa PTFE at mga alternatibong materyales.
• Layunin ng iminungkahing pakikipagtulungan ng Taiflex at E Ink na magsagawa ng pagsubok sa dalawang lokasyon sa Taiwan; nakabinbin pa ang mga pag-apruba at komersiyal na tuntunin.
• Humaba na sa tatlong buwan o kalahating taon ang paghihintay sa laminate habang humihigpit ang suplay ng fiberglass, copper foil at kagamitan.
• Sinusuportahan ng mga customer ang kapasidad para sa 2027 hanggang 2030, habang kailangang balansehin ng mga manufacturer ang pagganap na elektrikal, gastos at maaasahang produksyon.