Рідкоземельні елементи ербій та ітрій, критичні для інфраструктури ШІ, Китай має домінування у постачанні

Крім електроенергії, два інші природні переваги Китаю в цьому циклі розширення дата-центрів на основі ШІ також були виявлені за кордоном.

Недавно IEEE вказав на дві назви, які раніше майже не звертав на них увагу ринок —

Ербій (ер) і ітрій (і).

Вони приховані у довгій оптичній мережі між центрами обробки даних і у газових турбінах, що забезпечують електроживлення центрів обробки даних, відповідно — двом найбільш гострим питанням наразі для AI Infra:

Інтернет і електроенергія.

Просто кажучи, ербій відповідає за передачу даних на більші відстані; ітрій використовується у високотемпературних матеріалах газових турбін, допомагаючи їм стабільно працювати при більших температурах та підвищувати ефективність генерації електроенергії.

З розширенням центрів обробки даних на основі ШІ ці два застосунки також стають все більш важливими.

З одного боку, кластери обчислювальних потужностей стають все більшими, і все більше обчислювальних потужностей починає розгортається між парками та містами, що вимагає будівництва більшої кількості швидких, довгих оптичних мереж між центрами обробки даних;

З іншого боку, сервери ШІ збільшують попит на електроенергію до сотень мегаватт і навіть гігаваттів, і в США знову розпочався хвильовий попит на газові турбіни для покриття додаткової потужності мережі.

Можна сказати, що коли витрати на ІТ-капітальні витрати AI поступово розширюються від GPU до оптичних мереж та енергетичних систем, два малі метали, які раніше були приховані в глибині ланцюга поставок, знову потрапляють на стіл.

А ще більш зауважувано, що, за даними IEEE, наша країна виробляє майже 100% цих двох малих металів.

Іншими словами, переваги, пов’язані з розширенням виробництва AI-центрами обробки даних в країні та за кордоном, можуть стосуватися не лише наочних сегментів, таких як GPU, оптичні модулі та електрообладнання.

Продовжуємо копати вище по ланцюгу поставок — у нас ще є карти в руках.

Тоді як саме ербій та ітрій беруть участь у будівництві центрів обробки даних ІІ?

Далі розглянемо їх по черзі.

Символ елементу ербію — Er, атомний номер 68, належить до лантаноїдів — важких рідкоземельних елементів.

△

Його найбільш пряме зв’язок з AI-центрами обробки даних відбувається у довгих оптичних мережах між центрами обробки даних.　

Відомо, що сьогоднішні центри обробки даних уже не обмежуються просто розміщенням серверів в одному будинку.

Зі збільшенням розміру окремих AI-кластерів навчання, висновки та ресурси зберігання починають розподілятися між різними парками, а навіть різними містами та країнами, що призводить до стрімкого зростання обсягу обміну даними між центрами обробки даних.

Наприклад, Google спеціально побудувала приватну мережу широкого діапазону, що з’єднує центри обробки даних по всьому світу, використовуючи оптоволоконні кабелі, розташовані на суші та під водою, як основу.

Цього року загальна довжина оптоволоконних кабелів цієї мережі перевищила 10 мільйонів кілометрів і з’єднує 43 регіони Google Cloud.

А ці оптичні лінії, що простягаються на сотні або тисячі кілометрів, створюють найпростішу проблему: чим далі поширюється світло, тим слабшим стає сигнал.

Щоб краще зрозуміти роль ербію тут, ми зупинимося на принципах оптичного зв’язку.

Після виходу даних із серверної, вони кодуються у вигляді швидко змінних лазерних імпульсів, які передаються вздовж оптоволоконного кабелю до наступного вузла.

Але проблема полягає в тому, що навіть сучасні кварцові оптичні волокна знизили втрати до мінімуму, сигнал продовжує поступово ослаблюватися зі збільшенням відстані передачі.

Після того як сигнал даних був переданий на десятки або сотні кілометрів, його потрібно знову посилити.

Раніше загально прийнятою практикою було «світло—електрика—світло», тобто спочатку оптичний сигнал перетворювався на електричний, після чого він посилювався та оброблявся, а потім знову перетворювався на оптичний для передачі.

Але в сучасних оптичних мережах DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) один оптичний волокно може одночасно передавати десятки або навіть сотні сигналів різних довжин хвиль.

Якщо кожен канал спочатку треба перетворити на електричний сигнал, обробити й знову перетворити на оптичний, не тільки обладнання стає складнішим, але й зростають витрати та споживання енергії.

В цей момент на допомогу приходить ербієвий оптичний підсилювач (EDFA).

Зокрема, у EDFA інженери додають невелику кількість іонів Er³⁺ до короткого відрізка оптоволокна, а потім «накачують» його лазером з довжиною хвилі 980 нм або 1480 нм.

Після того як іони ербію поглинають енергію і переходять у збуджений стан, при проходженні через них комунікаційного світлового сигналу вони випускають нові фотони за рахунок вимушеного випромінювання, що безпосередньо посилює початковий світловий сигнал.

Очевидно, що це безпосередньо скорочує процес перетворення світла в електрику.

Ще й випадково, діапазон, у якому ербій найкраще працює, знаходиться близько 1550 нм — саме цей діапазон є одним із найменш втратних і найчастіше використовуваних вікон для довгих дистанційних оптичних зв’язків у сучасних кварцових оптоволокнах.

Крім того, згідно з даними Міжнародного союзу електрозв’язку (ITU), EDFA може одночасно посилювати кілька різних довжин хвиль світлових сигналів, не вимагаючи поетапного перетворення оптичного сигналу в електричний.

Отже, у сьогоднішніх наземних магістралях, підводних кабелях та з’єднаннях між регіональними центрами обробки даних, EDFA вже став дуже досконалим типом ключового обладнання.

Тобто логіка між ербієм та циклом розширення центрів обробки даних на основі ШІ полягає в тому, що зі збільшенням кількості центрів обробки даних та розподілом обчислювальних потужностей на більші відстані зростає потреба у будівництві та модернізації довгих оптичних мереж, що, у свою чергу, підвищує попит на EDFA.

Однак варто звернути увагу, що ербій переважно використовується для оптичних комунікацій середньої та довгої відстані, а не для короткодіючих з’єднань довжиною кілька десятків або сотень метрів всередині шафи.

Крім того, EDFA також не є абсолютно незамінним.

Згідно з даними МСЕ, крім EDFA, рaman-підсилювачі, напівпровідникові оптичні підсилювачі (SOA) та навіть пристрої O/E/O-регенерації, які вимагають оптико-електронного перетворення, можуть виконувати різні форми підсилення або продовження ланцюга.

У реальних довгих оптичних мережах також застосовуються гібридні схеми підсилення Raman+EDFA.

Але після десятиліть індустріалізації EDFA став найбільш досконалою технологічною лінією.

Символ елементу ітрію — Y, атомний номер 39.

Хоча він не належить до лантаноїдів, через подібні хімічні властивості з важкими рідкоземельними елементами та часте співіснування з ними, у промисловості його зазвичай включають до системи рідкоземельних елементів.

Йтрій пов’язаний із центрами обробки даних переважно через електромережі, що забезпечують їх енергопостачання.

Не буду багато говорити, всі знають, скільки електроенергії споживає центр обробки даних.

Американська національна лабораторія Лоуренса Берклі передбачає, що до 2030 року центри обробки даних можуть споживати приблизно 11,8% електроенергії США.

Американське управління енергетичної інформації також вважає, що зі зростанням споживання електроенергії дата-центрами, газова генерація візьме на себе значну частину зростаючого попиту на електроенергію.

Гігант газових турбін GE Vernova у своєму річному звіті за 2025 рік прямо вказала на центри обробки даних як на ключовий драйвер зростання попиту на газові турбіни.

Отже, розширення дата-центрів на основі ШІ почало поширюватися вгору по ланцюжку поставок:

Після дефіциту GPU настав дефіцит трансформаторів, після трансформаторів — недостатня потужність електромережі, і коли електромережа не встигає за темпами будівництва центрів обробки даних, компанії починають шукати електроенергію безпосередньо на стороні генерації.

Газові турбіни теж знову набрали популярності.

Просто кажучи, газова турбіна спалює природний газ, щоб отримати гарячі гази, які обертають турбіну, а та, в свою чергу, приводить у рух генератор для виробництва електроенергії.

А щоб підвищити ефективність газотурбінної установки, існує дуже простий спосіб: спалювати тепліше.

Термодинамічно чим вища температура газу, тим більше можливостей для збільшення ефективності газової турбіни. Проблема полягає в тому, що при підвищенні температури лопатки турбіни не витримують.

Отже, щоб турбінні лопатки були більш стійкими до високих температур, сьогоднішній наш герой — ітрій — приходить на допомогу.

Наразі промисловість використовує ітрій-стабілізований цирконій (YSZ) як теплові захисні покриття.

Його принцип полягає у додаванні приблизно 6–8% оксиду ітрію до оксиду цирконію.

Хоча чистий оксид цирконію має низьку теплопровідність і добре підходить для теплоізоляції, під час постійних коливань температури він зазнає фазових перетворень, що супроводжуються зміною об’єму, і після багаторазових циклів покриття легко тріскається або відшаровується.

Після додавання оксиду ітрію І³⁺ входить у решітку оксиду цирконію і утворює відповідну кількість кисневих вакансій, що стабілізує високотемпературну кристалічну структуру оксиду цирконію, забезпечуючи кращу стабільність під час повторних циклів охолодження та нагрівання.

Одержаний YSZ одночасно забезпечує теплову ізоляцію та витримує тривалий вплив високих температур та повторні теплові цикли, що еквівалентно надіянню керамічного теплозахисного обладнання на лопатки газової турбіни.

Це покриття зменшує реальну температуру, якій піддаються металеві лопатки нижче, зменшує витрати охолоджувального повітря і дозволяє газовій турбіні працювати при вищих температурах.

Ранні порівняльні дослідження NASA порівнювали оксид ітрію, оксид магнію та оксид кальцію, стабілізовані цирконієм, і в кінцевому підсумку визначили, що оксид ітрію, стабілізований цирконієм, є найкращим варіантом серед трьох за загальною тривалістю та витратами на обробку.

Отже, щоб підсумувати, логіка центру обробки даних, яку з’їв йіт, насправді полягає в:

Чим більше нестача електроенергії в дата-центрах → тим сильніше зростає попит на нові потужності генерації → збільшуються замовлення на газові турбіни → зростає попит на високотемпературні лопатки та теплові бар’єрні покриття → що, у свою чергу, піднімає попит на оксид ітрію.

Звичайно, цей ланцюг довший, ніж ербій.

Крім того, не кожен центр обробки даних має власну газову турбіну, і газова генерація є лише одним із джерел електроенергії для центрів обробки даних.

Тим часом можна спробувати замінити YSZ оксидом магнію, оксидом кальцію та більш сучасними новими теплозахисними матеріалами.

Але наразі оксид ітрію все ще залишається бар’єром для тестування та інженерної перевірки в короткостроковій перспективі.

Останній раз розглянемо сторону пропозиції.

Чесно кажучи, хоча наша країна володіє більшістю світових родовищ ербію та ітрію, справжнє відставання полягає в здатності до подальшого розділення та переробки.

Оскільки рідкоземельні елементи часто зустрічаються разом і мають надзвичайно схожі хімічні властивості, для окремого розділення ербію та ітрію та досягнення промислової високої чистоти зазвичай потрібно виконати десятки або навіть сотні ступенів розчинної екстракції, що вимагає високих вимог до виробничих ліній, технологій та досвіду.

Дані USGS показують, що з 2020 по 2023 рік 93% імпортованих сполук ітрію США походили безпосередньо з Китаю, а чиста залежність від імпорту досягла 100%;

За даними IEEE, за межами Китаї майже немає підприємств, здатних до комерційного виробництва оксиду ербію.

Отже, справжнім перевагою нашої країни є не лише мінеральна база, а й індустріальна здатність стабільно перетворювати рідкоземельні руди на високочисті матеріали, такі як ербій, ітрій тощо.

Зі зростанням попиту за кордоном, якщо місцеві потужності з виділення та очищення не зможуть вчасно відновитися, ця перевага ланцюга поставок, зосереджена на середніх етапах, може далі перетворитися на цінову надбавку за кордоном.

Проте варто зазначити, що як мінімальні метали, ербій та ітрій — це два дуже малі ринки.

За поточними цінами на оксиди та публічними обсягами виробництва, глобальний ринок первинної сировини для ербію та ітрію разом у звичайні роки становить приблизно 100–200 мільйонів доларів США.

Щодо виробництва, USGS передбачає, що у 2025 році світове виробництво ітрію у перерахунку на оксид ітрію складе лише приблизно 10–15 тис. тонн; щодо ербію, авторитетних глобальних статистичних даних за окремим видом не існує, але загальний ринок становить лише тисячі тонн.

Іншими словами, це не ринок товарів обсягом у сотні або тисячі мільярдів доларів, а невеликий ринок металів з невеликим обсягом і високою концентрацією пропозиції.

Отже, якщо центри обробки даних на основі ШІ продовжуватимуть стимулювати розширення довгих оптичних мереж і газових турбін, навіть якщо абсолютний обсяг нових потреб не є надто великим, це все одно може спричинити значні граничні зміни в такому невеликому ринку.

Звичайно, ербій та ітрій не є незамінними, і наскільки великий реальний приріст принесе штучний інтелект, потрібно далі спостерігати.

Посилання для довідки

[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

Цей матеріал зі сторінки WeChat «Quantum Bit», автор: слідкуйте за передовими технологіями