机械设备行业深度报告：钻石散热：高算力时代的终极方案，打开AI潜力的钥匙

钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士” 着半导体遵循着摩尔定律纳米制程进步、TDP（热设计功耗）上升，芯片热流密度变得越来越高，散热革命成为AI、HPC时代最大挑战。当芯片表面温度达到70-80℃时，温度每增加1℃，芯片可靠性就会下降10%；设备故障超过55%与过热直接相关。金刚石是已知热导率最高的材料，热导率达硅（Si）13倍、碳化硅（Sic）4倍，铜和银4-5倍，并具有超宽禁带半导体优异特质，被视为“第四代半导体”或“半导体终极材料”。与SiC相比，钻石芯片成本可便宜30%，所需材料面积仅为SiC芯片1/50，减少3倍能量损耗，并将芯片体积缩小4倍。 钻石散热：高算力时代“终极”方案，打开AI潜力的钥匙 钻石散热方案在高效能电子产品应用潜力广阔，未来每台电脑、汽车和手机都有望装上钻石。半导体领域，“钻石冷却”技术可让GPU、CPU计算能力提升3倍，温度降低60%，能耗降低40%，为数据中心节省数百万美元的冷却成本。 新能源汽车领域，超薄钻石纳米膜助力电动汽车充电速度提升5倍，热负荷降低10倍。基于钻石技术的逆变器体积小6倍，性能更卓越。太空卫星领域，数据速率提升5-10倍，尺寸减小50%，并在严酷的太空环境中表现更稳定。无人机领域，无人机仅需1分钟就能充满电，金刚石吸收产生高密度激光束，解决续航问题。基于独特物理特性，钻石还在量子计算、核处理等方面打开应用潜力。 产业化开启“从0到1”阶段，国内培育钻石产业链大放异彩 钻石散热产业链开启“从0到1”临界点，全球各项应用加速落地。美国Akash Systems公司获得美国芯片法案支持，体现了对钻石散热前景的充分认可；英伟达率先采用钻石散热GPU实验，性能是普通芯片的三倍；华为接连公布钻石散热专利，坚定入局，未来有望在高性能计算、5G通信、人工智能等领域广泛应用；国内公司化合积电已具备较为完整的金刚石半导体材料解决方案，并实现规模化生产（未上市，光莆股份有持股）。我们测算钻石散热市场规模有望由2025年0.5亿美元（渗透率不足0.1%）增长至152亿美元（渗透率约10%），复合增速214%，市场前景可观。我国人造钻石产业链具备绝对成本优势，人造金刚石产量占全球总产量的90%以上。国内培育钻石企业积极布局“钻石散热”技术，并在半导体衬底、热沉等方面取得突破。2024年8月，商务部、海关总署开始对人造金刚石设备和技术进行出口管制。 投资建议 我们认为，钻石散热作为下一代散热技术，在AI时代具备划时代意义和产业化潜力。我国具备完整的产业链，同时对上游材料进行出口限制，产业化正处于“从0到1”阶段，开发进度毫不逊于海外。在全球高算力时代，我国有望站在科技制高点。受益标的：力量钻石、沃尔德、国机精工、黄河旋风、四方达、中兵红箭、惠丰钻石、光莆股份。 风险提示：钻石散热产业化不及预期；供应链发展不及预期。 1、钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士 1.1、散热革命成为AI、HPC时代的最大挑战 散热革命已成为AI、HPC时代的最大挑战。电流通过导体时会生成焦耳热，芯片在运行过程中不可避免地产生大量热量，若无法及时散发，芯片温度将急剧上升，进而影响其性能和可靠性。热流密度（热通量）指的是每单位面积传递的热量，随着半导体产业遵循着摩尔定律逐步迈向2纳米、1纳米甚至是埃米（Angstrom，1埃=十亿分之一米）级别迈进，尺寸不断缩小，功率不断增大，带来了前所未有的热管理挑战。同时，云计算、加密计算和人工智能等需求的增长，芯片的TDP（热设计功耗）持续上升，2023年已出现接近1000W的高功率芯片，未来的芯片热流密度可能达到1000W/cm²，热流密度越来越高，摩尔定律受到散热挑战。 图1：NVIDIA GPU架构演进：纳米制程进步、TDP持续上升 图2：四大芯片制造厂趋势：芯片尺寸微缩、集成度提升 芯片内部热量无法有效散发时，局部区域会形成“热点”，导致性能下降、硬件损坏及成本激增。（1）性能下降：据《C a b o n t e c h Ma g a z i n e》，当电子设备温度过高时，工作性能会大幅度衰减，当芯片表面温度达到70-80℃时，温度每增加1℃，芯片的可靠性就会下降10%。AI硬件的高功率需求下，过热限制了硬件性能的发挥，阻碍了芯片的理论性能实现。（2）设备失效：芯片温度每升高10℃，其运行寿命减半，超过55%的设备故障与过热直接相关。（3）成本激增：企业每年需投入数亿美元在散热系统上，包括大量消耗能源和资源的冷却系统（如液冷、风冷等），不仅增加了运营成本，也加剧了能源消耗；（4）安全隐患：极端情况下，温度过高可能引发火灾等严重事故，给设备和人员安全带来威胁。 图3：芯片功率图和相应芯片温度图上的热点（红色区域代表最高温度点） 图4：超过55%设备故障与过热直接相关 图5：70℃以上时芯片寿命会随温度的升高迅速下滑 英伟达Blackwell处理器面临的热挑战。2024年11月18日，《The Information》报道称，英伟达新一代Blackwell处理器在高容量服务器机架中存在严重的过热问题，导致设计调整和项目延期，引发了谷歌、Meta和微软等主要客户的担忧。Blackwell GPU专为人工智能（AI）和高性能计算（HPC）设计，配备72颗处理器的服务器中，过热限制了性能，并可能损坏硬件。每个机架的功耗高达120千瓦，给散热带来了巨大挑战，迫使英伟达多次重新评估服务器机架设计，以确保GPU性能和组件的稳定性。除了GPU和服务器机架的过热问题，英伟达还曾遇到HBM内存的过热问题。 三星的HBM3和HBM3E内存面临过热和功耗问题，未能通过英伟达的测试，过热问题直到几个月后才解决。 图6：NVIDIABlackwell架构GPU采用 4nm 工艺，拥有2080亿个晶体管 发展新一代散热材料，减少散热风险、解决全生命周期散热成本，成为未来关键突破点。现有的散热材料、导热界面材料（TIM）、热管和均热板等具有一定的导热性能，但其热导率仍难以满足高功率器件的需求。发展新散热材料迫在眉睫，让芯片运行效率更快而没有过热的风险，并减少全生命周期的散热成本，已成为解决高算力设备散热问题的关键。 图7：高功耗芯片TIM散热路径示意图 1.2、钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士” 半导体材料发展演变之路：从“沙子”到“钻石”。自20世纪50年代以来，半导体行业经历了多个技术阶段，从第一代半导体材料硅（Si），逐步向第三代半导体金刚石（又称“第四代半导体”）、碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)等演化。 第一代半导体材料（1950s-至今）：自1959年硅晶片问世以来，硅和锗（Ge）成为了半导体材料的主力，广泛应用于集成电路和电子器件中。尽管硅材料为半导体技术的发展做出了巨大贡献，但其物理特性（如较低的带隙）限制了其在高频和高功率领域的应用。 第二代半导体材料（20世纪末）：随着技术需求的升级，第二代半导体材料开始出现，代表材料包括砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。这些材料具备较高的电子迁移率和更宽的带隙，使得其在高频、高速和光电应用中具有优势。然而，GaAs和InP的高成本和毒性问题限制了它们的广泛应用。 第三代半导体材料（21世纪初至今）：进入21世纪后，半导体行业的研究焦点逐渐转向了第三代宽禁带半导体材料，这些材料具有更宽的带隙、更高的热导率和更强的抗电压击穿能力，以金刚石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为主第三代半导体材料成为热点。 尽管部分分类中金刚石属于第三代半导体，但拥有比第三代半导体材料更卓越的特性，包括更宽的禁带宽度（5.5 eV）以及更卓越的电学和热学性能，因此又被视为“第四代半导体”、“超宽禁带半导体”或“终极半导体材料”。 表1：四代半导体材料发展演变之路 金刚石作为一种超宽禁带半导体，基于优异的导热性、载流子迁移率、击穿电场强度等关键特性，被视为半导体材料“六边形战士”及“终极半导体”。 1.导热性：金刚石的热导率是已知最高的材料之一，达到2000 W/m·K，是硅（Si）、碳化硅（Sic）和砷化镓（GaAs）的13倍、4倍和43倍，铜和银4-5倍。在热导率要求为10~200 W/(m·K)之间时，金刚石是唯一可选的热沉材料。作为芯片基板时，金刚石也能更有效地将热量从处理器中带走，让器件拥有更高的性能，并实现轻量化和小型化。 2.禁带宽度与击穿电场：金刚石的禁带宽度达到5.47 eV，其击穿电场强度为10^9 V/m ，是砷化镓的17倍、氮化镓的2倍、碳化硅的2.5倍。宽禁带特性使金刚石在高温、高压、高频等极端环境下具有优异的耐电强度，能够承受更高的电压，广泛应用于高压电力设备、射频器件等高性能领域。 3.载流子迁移率：金刚石具有极高的载流子迁移率，电子迁移率为4500 cm²/V·s，空穴迁移率为3800 cm²/V·s，显著优于硅、砷化镓和氮化镓等常见半导体材料。其强大的共价键和稳定的晶格结构，使电子在金刚石中能够以极高的速度运动，大幅降低电阻和损耗，提升高频电子器件的性能，适用于高频通信、雷达系统等需要高速信号处理的应用。 4.绝缘性：金刚石具有宽广的能带间隙，具备出色的绝缘性能，能够有效防止电子跃迁，保证设备在高压、高温等极端环境下的稳定工作。作为一种优秀的绝缘体，金刚石能够使器件在较低温度下以更高功率运行，实现了更高的热效率，成为理想的高效半导体材料。 图8：金刚石切片上演“徒手切冰块”（图中分别为铁、玻璃、金刚石的热传导） 图9：金刚石禁带宽度、电子和空穴迁移率综合表现突出（圆的面积与材料的热导率成比例） 图10：金刚石为半导体材料领域“六边形战士”，被视为“终极半导体” 相较于第三代半导体，单晶金刚石（SCD）和多晶金刚石（PCD）材料优势更为显著。金刚石衬底能够有效解决GaN功率器件面临的散热难题，从而在相同尺寸下，制造出具有更高功率密度的GaN基功率器件，显著提升器件的性能和稳定性。 与硅（Si）相比，金刚石芯片可以使转换器轻5倍，体积更小；与碳化硅（SiC）相比：成本可以便宜30%，所需的材料面积仅为SiC芯片的1/50，减少3倍的能量损耗，并将芯片体积缩小4倍，从而大幅降低能耗。在注重系统体积和重量时，通过提升开关频率，金刚石器件能够使无源元件的体积减少4倍，同时配合更小的散热器。 图11：金刚石热导率高达1000-2000W/m.K 图12：SCD、PCD作为衬底材料热导率优势明显 金刚石作为散热材料主要有三种方式：作为金刚石衬底、作为热沉片、以及通过在金刚石结构中引入微通道散热。随着芯片集成度的提高和封装空间的紧缩，金刚石基板凭借其卓越的导热性能、高硬度和强度，能够在有限空间内为芯片提供支撑和保护，同时通过其低热膨胀系数，确保高密度组装环境下芯片之间的连接稳定性不受温度波动影响。相比传统SiC衬底，金刚石基板将器件热阻降低至4.1 K·mm/W，在2W功率下可使芯片温度下降10℃，为芯片构建了高效稳定的散热基础。Akash Systems推出的GaN-on-diamond射频功率放大器，相较于GaN-on-Sic，采用GaN-on-diamond制程的晶体管温度降低了30多度。 图13：金刚石作为半导体衬底具有优异的散热性 图14：相较于GaN-on-Sic，采用GaN-on-Diamond制程的晶体管温度降低了30多度 2、钻石散热：高算力时代的“终极”方案，打开AI潜力的钥 匙 钻石基于独特电学和热导的优势，散热前景非常广阔。钻石散热方案有望在高效能电子产品、量子计算中发挥重要作用，未来每台电脑、汽车和手机都有望装上钻石。 2.1、AI、HPC：钻石芯片性能提升三倍，温度降低60% 钻石散热技术可让GPU计算能力提升三倍，温度降低60%。随着芯片性能的提升，功率增加导致的积热问题成为制约CPU、GPU性能的瓶颈，钻石冷却技术被视为有效的解决方案。钻石基板具有超高的热导性，可以大幅提升芯片散热效果。 根据D