Unsur Tanah Jarang Erbium dan Yttrium Penting kepada Infrastruktur AI, China Memegang Kepentingan Bekalan

Selain tenaga listrik, dua kelebihan semula jadi lain China dalam gelombang ekspansi pusat data AI ini juga telah dikenal oleh luar negara.

Baru-baru ini, IEEE telah menonjolkan dua nama yang sebelumnya jarang diperhatikan oleh pasaran—

Erbium (ěr) dan Yttrium (yǐ).

Ia bersembunyi di dalam rangkaian komunikasi cahaya jarak jauh di antara pusat data, dan yang satu lagi bersembunyi di dalam turbin gas yang memberi kuasa kepada pusat data, masing-masing berkaitan dengan dua perkara paling mendesak semasa ini dalam Infrastruktur AI:

Internet dan kuasa.

Secara ringkas, erbium bertanggung jawab untuk memperluas jangkauan penghantaran data; ytrium digunakan dalam bahan suhu tinggi turbin gas, membantu ia beroperasi secara stabil pada suhu yang lebih tinggi dan meningkatkan kecekapan penghasilan tenaga.

Sementara itu, dengan pembinaan pusat data AI yang meluas dengan pantas, kedua-dua penggunaan ini juga menjadi semakin penting.

Di satu sisi, kumpulan kuasa pengiraan semakin membesar, dengan semakin banyak kuasa pengiraan yang ditempatkan merentasi taman dan bandar, menyebabkan keperluan untuk membina lebih banyak rangkaian cahaya berkelajuan tinggi dan jarak jauh di antara pusat data;

Di sisi lain, server AI mendorong permintaan tenaga listrik hingga ke tahap ratusan MW bahkan GW, dan Amerika telah menghidupkan semula gelombang pesanan turbin gas untuk mengisi kapasiti tambahan grid.

Boleh dikatakan, apabila perbelanjaan modal AI terus meluas dari GPU ke rangkaian cahaya dan sistem kuasa, dua logam kecil yang sebelumnya tersembunyi di paling dalam rantaian bekalan kini mulai dipertimbangkan semula.

Lebih penting lagi, menurut IEEE, negara kami menghasilkan hampir 100% daripada dua logam kecil ini.

Dengan kata lain, manfaat daripada pengembangan pusat data AI di dalam dan luar negara semasa ini mungkin tidak hanya terbatas pada elemen-elemen yang jelas seperti GPU, modul cahaya, dan peralatan kuasa.

Terus gali lebih dalam ke hulu rantaian bekalan, kita masih ada kartu tersimpan.

Jadi, bagaimana erbium dan yttrium terlibat dalam pembinaan pusat data AI?

Seterusnya, kita akan lihat satu per satu.

Simbol elemen erbium ialah Er, nombor atom 68, dan termasuk dalam logam tanah jarang berat rantai lantanida.

△

Hubungannya yang paling langsung dengan pusat data AI berlaku dalam rangkaian serat optik jarak jauh antara pusat data.　

Seperti yang diketahui umum, pusat data hari ini sudah jauh lebih kompleks daripada sekadar memadati server dalam satu bangunan.

Seiring dengan pembesaran skala cluster AI individu, sumber daya pelatihan, inferensi, dan penyimpanan mula tersebar ke pelbagai kawasan, bahkan ke bandar-bandar dan negara yang berbeza, menyebabkan jumlah pertukaran data antara pusat data meningkat dengan ketara.

Sebagai contoh, Google telah membina rangkaian wilayah peribadi yang menghubungkan pusat data global, dengan serat optik yang tersebar di darat dan dasar laut sebagai tulang belakang.

Pada tahun ini, jumlah panjang serat optik rangkaian ini telah melebihi 10 juta kilometer, menghubungkan 43 kawasan Google Cloud.

Namun, saluran serat optik yang mencapai ratusan hingga ribuan kilometer ini membawa satu soal paling asas: semakin jauh cahaya bergerak, semakin lemah isyaratnya.

Untuk memahami peranan erbium di sini dengan lebih baik, kami akan menyelingi penjelasan mengenai prinsip komunikasi optik.

Selepas data meninggalkan pusat data, ia akan dienkod menjadi denyutan laser yang berubah pantas, dan diteruskan sepanjang serat optik ke nod seterusnya.

Namun, masalahnya ialah walaupun serat kuarsa moden telah mengurangkan kehilangan kepada tahap yang sangat rendah, isyarat masih terus melemah seiring dengan peningkatan jarak penghantaran.

Selepas isyarat data ditransmisikan sejauh puluhan hingga ratusan kilometer, isyarat perlu diperkuat semula.

Sebelum ini, amalan biasa ialah "cahaya-ke-elektrik-ke-cahaya", iaitu pertama-tama menukar isyarat cahaya kepada isyarat elektrik, memperkuat dan memprosesnya, kemudian menukarnya semula kepada cahaya untuk dipancarkan.

Namun, dalam rangkaian optik DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) moden, satu serat optik boleh menghantar puluhan hingga ratusan isyarat dengan panjang gelombang yang berbeza secara serentak.

Jika setiap salur perlu ditukar kepada elektrik, diproses, kemudian ditukar semula kepada cahaya, bukan sahaja peralatan menjadi kompleks, tetapi kos dan penggunaan kuasa juga akan meningkat.

Pada masa ini, erbium-doped fiber amplifier, atau EDFA, menjadi berguna.

Secara khusus, dalam EDFA, jurutera mencampurkan sedikit ion Er³⁺ ke dalam sebahagian kecil serat optik, kemudian “mempompa”nya menggunakan laser pada panjang gelombang 980 nanometer atau 1480 nanometer.

Selepas ion erbium menyerap tenaga dan memasuki keadaan tergalak, apabila isyarat cahaya komunikasi melaluinya, ia akan membebaskan foton baru melalui radiasi terstimulasi, secara langsung memperkuat isyarat cahaya asal.

Jelas bahawa tindakan ini secara langsung mengurangkan proses penukaran cahaya kepada elektrik.

Lebih tepat lagi, julat di mana erbium paling berkesan beroperasi berada berhampiran 1550 nanometer, yang merupakan salah satu tingkap paling biasa digunakan untuk komunikasi jarak jauh dengan kehilangan serat kuarsa moden yang paling rendah.

Selain itu, berdasarkan maklumat dari International Telecommunication Union (ITU), EDFA juga boleh memperkuatkan beberapa isyarat cahaya dengan panjang gelombang berbeza secara serentak, tanpa perlu menukar kepada isyarat elektrik dan kembali kepada cahaya secara berasingan.

Oleh itu, dalam rangkaian darat utama, kabel serat bawah laut, dan sambungan pusat data antar kawasan hari ini, EDFA telah menjadi salah satu peralatan inti yang sangat matang.

Dengan kata lain, logik antara erbium dan pembinaan semula pusat data AI kali ini ialah semakin banyak pusat data, semakin jauh penyebaran kuasa pengiraan, semakin banyak rangkaian cahaya jarak jauh yang perlu dibina dan dikemaskini, dan permintaan terhadap EDFA juga akan meningkat.

Namun, perlu diperhatikan bahawa erbium terutama memberi manfaat kepada komunikasi cahaya jarak menengah dan panjang, bukan sambungan jarak pendek beberapa puluh meter atau ratusan meter di dalam rak.

Selain itu, EDFA juga tidak benar-benar tidak dapat digantikan.

Menurut data ITU, selain EDFA, amplifier Raman, semiconductor optical amplifier (SOA), dan peralatan regenerasi O/E/O yang memerlukan penukaran optik-ke-elektrik, semuanya boleh menjalankan fungsi penguatan atau perpanjangan saluran dalam bentuk yang berbeza.

Dalam rangkaian cahaya jarak jauh sebenarnya, terdapat juga penambah gabungan Raman+EDFA.

Namun, selepas puluhan tahun pengindustrian, EDFA telah menjadi salah satu jalan teknologi yang paling matang.

Simbol elemen yttrium ialah Y, nombor atom 39.

Walaupun ia bukan sebahagian daripada siri lantanida, kerana sifat kimianya hampir dengan logam tanah jarang berat dan sering ditemui bersama-sama dengannya, ia biasanya diklasifikasikan sebagai sebahagian daripada sistem logam tanah jarang dalam perindustrian.

Hubungan yit dengan pusat data adalah sistem kuasa yang memberi kuasa kepada pusat data.

Tak perlu banyak kata, semua tahu betapa banyak tenaga yang digunakan oleh pusat data.

Laboratorium Kebangsaan Lawrence Berkeley Amerika Syarikat menganggarkan bahawa pada tahun 2030, pusat data mungkin menggunapakai sebanyak 11.8% elektrik Amerika Syarikat.

Pihak Administration of Energy Information Amerika Syarikat juga menilai bahawa dengan pertumbuhan pesat penggunaan listrik di pusat data, pembangkit listrik gas semula jadi akan menanggung sebahagian besar permintaan listrik tambahan.

GE Vernova, pemain utama dalam turbin gas, secara langsung menyenaraikan pusat data sebagai pendorong penting pertumbuhan permintaan turbin gas dalam laporan tahunan 2025.

Oleh itu, pengembangan pusat data AI bermula merambat ke hulu:

Selepas kekurangan GPU, berlaku kekurangan transformer, selepas itu kapasiti grid tidak mencukupi, dan apabila grid tidak mampu mengikuti kelajuan pembinaan pusat data, syarikat beralih mencari tenaga langsung dari sisi penghasilan.

Turbin gas juga menjadi popular semula.

Secara ringkas, turbin gas membakar gas semula jadi untuk menghasilkan gas bertemperatur tinggi, yang mendorong turbin berputar dan membawa generator untuk menghasilkan elektrik.

Dan untuk meningkatkan kecekapan turbin gas, terdapat satu kaedah yang sangat asas: membakar pada suhu yang lebih tinggi.

Secara termodinamik, semakin tinggi suhu gas, semakin besar peluang kecekapan turbin gas untuk terus meningkat. Tetapi masalahnya, apabila suhu naik, bilah turbin tidak mampu menahan tekanan.

Oleh itu, untuk membuat bilah turbin lebih tahan terhadap haba, elemen ytrium, salah satu bintang utama kita hari ini, datang ke sini.

Sekarang, industri terutama menggunakan yttria-stabilized zirconia (YSZ) sebagai lapisan penghalang haba.

Prinsipnya ialah dengan menambahkan sebanyak 6%–8% ytrium oksida ke dalam zirkonia.

Walaupun zirkonia tulen mempunyai konduktiviti haba yang rendah dan sesuai untuk penginsul, ia mengalami perubahan fasa kristal apabila suhu berubah-ubah secara berterusan, disertai dengan perubahan isipadu. Selepas berulang-ulang, lapisan tersebut mudah retak atau terkelupas.

Setelah menambahkan ytrium oksida, Y³⁺ akan memasuki kisi zirkonia dan membentuk kekosongan oksigen yang mencukupi, yang secara stabil mengekalkan struktur kristal zirkonia pada suhu tinggi, membolehkannya mengekalkan kestabilan yang lebih baik semasa kitaran sejuk-panas berulang.

YSZ akhiran yang diperoleh mampu menginsulasi haba serta menahan suhu tinggi jangka panjang dan kitaran termal berulang, seolah-olah memakai baju zirah keramik isolasi haba pada bilah turbin gas.

Lapisan ini boleh mengurangkan suhu sebenar yang diterima oleh bilah logam di bawahnya, mengurangkan penggunaan udara sejuk, dan dengan itu membolehkan turbin gas beroperasi pada suhu yang lebih tinggi.

Uji perbandingan awal oleh NASA membandingkan zirkonia yang distabilkan dengan ytrium oksida, magnesium oksida, dan kalsium oksida, dan akhirnya menyimpulkan bahawa zirkonia yang distabilkan dengan ytrium oksida adalah pilihan terbaik di antara ketiga-tiga pilihan berdasarkan ketahanan komprehensif dan kos pemprosesan.

Jadi, ringkasnya, logik pusat data yang dimakan oleh Yt adalah:

Kurangnya tenaga listrik di pusat data → permintaan penambahan pembangkit listrik semakin kuat → pesanan turbin gas meningkat → permintaan bilah suhu tinggi dan lapisan penghalang haba ikut meningkat → kemudian menyalurkan ke atas ke ytrium oksida.

Of course, this chain is longer than erbium.

Selain itu, tidak semua pusat data dilengkapi dengan turbin gas sendiri, dan pembangkitan gas hanyalah salah satu sumber tenaga tambahan untuk pusat data.

Sementara itu, magnesium oksida, kalsium oksida, serta bahan penghalang haba baru yang lebih canggih boleh dicuba sebagai pengganti YSZ.

Namun, untuk masa ini, yttrium oxide masih mengekalkan paras ujian dan pengesahan kejuruteraan dalam jangka pendek.

Lihat sekali lagi dari segi penawaran.

Jujur saja, walaupun negara kita memiliki sebahagian besar cadangan erbium dan ytrium di seluruh dunia, perbezaan sebenar terutamanya datang daripada kemampuan pemisahan dan pemprosesan seterusnya.

Kerana unsur tanah jarang sering bercampur dan mempunyai sifat kimia yang sangat serupa, pemisahan erbium dan yttrium secara berasingan serta mencapai kemurnian peringkat industri biasanya memerlukan puluhan hingga ratusan tahap ekstraksi pelarut, dengan persyaratan yang sangat tinggi terhadap lini pengeluaran, proses, dan pengalaman.

Data dari USGS menunjukkan bahawa antara 2020 hingga 2023, 93% sebatian ytrium yang diimport oleh Amerika Syarikat berasal secara langsung dari China, dengan ketergantungan bersih sebanyak 100%;

Menurut IEEE, hampir tidak ada perusahaan di luar China yang mampu memproduksi oksida erbium dalam skala komersial.

Oleh itu, keunggulan sebenar negara kita bukan hanya di peringkat penambangan, tetapi lebih kepada kemampuan industri untuk mengubah bijih tanah jarang melalui pemisahan dan pemurnian menjadi bahan-bahan tulen tinggi seperti erbium dan ytrium secara stabil.

Sementara permintaan luar negara meningkat, apabila kapasiti pemisahan dan pemurnian tempatan tidak dapat menyusul, keunggulan rantai bekalan yang terfokus pada peringkat pertengahan ini juga boleh diubah menjadi premium harga di luar negara.

Namun, perlu diketahui terlebih dahulu bahawa sebagai logam kecil, erbium dan yttrium sendiri adalah dua pasaran yang sangat kecil.

Berdasarkan anggaran kasar mengikut harga oksida semasa dan pengeluaran awam, pasaran bahan mentah hulu untuk erbia dan ytrium secara keseluruhan global biasanya berada pada tahap sebanyak US$100 juta hingga US$200 juta setahun.

Dalam hal pengeluaran, USGS menganggarkan bahawa pengeluaran ytrium global pada tahun 2025 setara dengan oksida ytrium hanya sekitar 10,000–15,000 tan; erbium tidak mempunyai statistik global rasmi untuk jenis tunggal, tetapi keseluruhan pasarnya hanya berukuran ribuan tan.

Dengan kata lain, ini bukan pasaran komoditi bernilai ratusan hingga ribuan miliar dolar, tetapi pasaran logam kecil dengan saiz pasaran yang kecil dan penawaran yang sangat terkonsentrasi.

Jadi, sekiranya pusat data AI terus mendorong peningkatan kapasiti rangkaian cahaya jarak jauh dan turbin gas, walaupun jumlah permintaan tambahan tidak begitu besar, apabila dimasukkan ke dalam pasaran kecil ini, ia mungkin mencipta perubahan marjinal yang cukup ketara.

Of course, erbium and yttrium are not both irreplaceable; the actual incremental value that AI will ultimately bring still needs to be observed.

Pautan rujukan

[1]https://spectrum.ieee.org/rare-earth-shortage?itm_source=homepage&itm_medium=hero&itm_campaign=hero-2026-08-27&itm_content=hero2

[2]https://ntrs.nasa.gov/citations/19760025104?utm_source=chatgpt.com

[3]https://www.gevernova.com/investors/annual-report/ceo-letter?utm_source=chatgpt.com

[4]https://www.itu.int/dms_pub/itu-t/opb/hdb/t-hdb-out.10-2009-1-pdf-e.pdf?utm_source=chatgpt.com

Artikel ini berasal daripada akaun微信公众号 "Quantum Bit", penulis: Mengikuti teknologi terkini