核心观点
- AI芯片散热需求升级： 芯片散热能力由材料体系与封装结构共同决定。散热问题是制约英伟达Rubin架构及更高代际芯片量产的重要卡点。散热方案可行性及产业落地进度有望成为Rubin系列GPU量产的重要观察窗口。散热材料正由传统铜基材料向金刚石铜、纯金刚石等高导热材料替代；封装方案正由有盖板（Lidded）的多层界面传热结构，向无盖板（Lidless）的少界面传热结构方向演进。
- 传统散热方案面临挑战： 高热流密度背景下，传统铜基散热方案亟待升级。单卡功耗提升叠加更小制程导致芯片热流密度急速上升，英伟达GB200热峰值功耗已达到2000W以上，未来Rubin架构芯片等高端GPU热流密度迈向500W/cm²。传统散热方案主要面临三方面瓶颈：铜基材料导热能力已接近性能天花板；高温状态下，铜与芯片热膨胀系数（CTE）不匹配风险会进一步放大；高温状态下，现有热界面材料（TIM）可靠性下降。
- 金刚石材料成为可行方案： 金刚石及金刚石铜材料与传统铜材料相比具有高热导率、热膨胀系数低、高稳定性等特性。金刚石热导率可达2000W/m·K以上，约为铜、银的4–5倍；金刚石铜兼具铜与金刚石特性，热导率可达600–900W/m·K，显著高于传统铜基材料400W/m·K的导热能力。金刚石热膨胀系数约1-1.1×10⁻⁶/K，金刚石铜则在4-8×10⁻⁶/K，铜材料在14×10⁻⁶/K；相比金刚石及金刚石铜材料在持续高温环境下表现更为稳定。金刚石及相关材料中碳分子占比高，因此金刚石与金刚石铜相较铜材料具备更强的耐高温和化学稳定性。
- 金刚石铜率先切入产业应用： 结合目前产业发展阶段，我们认为金刚石铜散热片有望率先切入产业应用。从应用方向看，金刚石及金刚石铜主要可用于制作散热片和衬底。短期看，散热片与现有Lidded封装工艺兼容性更高，有望率先开启应用；材料选择上，金刚石铜凭借高可用性、低成本和工艺兼容性，有望率先进入产业化阶段。长期看，纯金刚石导热性能天花板更高。
- 市场规模预测： 根据我们测算，中性预测下2030年全球金刚石散热片市场规模有望达到592亿元。按照保守/中性/乐观三种情景进行测算，中性预测下2026年全球高端AI芯片用金刚石散热片市场规模有望达到87亿元，2030年有望快速增长至592亿元，CAGR超过50%。金刚石衬底材料生产壁垒更高，价值量更大，若未来应用推广有望进一步拓展金刚石散热市场规模。
关键数据
- 英伟达GPU处理器TDP变化（2016-2025）：功耗持续提升，例如2024年B200约1000W。
- Google TPU v4局部热流密度：约300 W/cm²，而NVIDIA H100等可超过500 W/cm²。
- 金刚石热导率：可达2000W/m·K以上。
- 金刚石铜热导率：可达600–900W/m·K。
- 铜热导率：约400 W/m·K。
- 硅基芯片热膨胀系数：约2-3×10⁻⁶/K。
- 铜热膨胀系数：约14×10⁻⁶/K。
- 中性预测下2026年全球高端AI芯片出货量：580万颗。
- 中性预测下2030年全球高端AI芯片出货量：1480万颗。
- 中性预测下2026年全球高端AI芯片用金刚石市场规模：87亿元。
- 中性预测下2030年全球高端AI芯片用金刚石市场规模：592亿元。
研究结论
- AI芯片高热流时代来临，传统散热方案亟待升级，金刚石材料有望成为解决AI芯片散热难题的可行方案之一。
- 金刚石铜散热片凭借高可用性、低成本和工艺兼容性，有望率先进入产业化应用阶段。
- 中国具备显著金刚石产业链优势，未来有望乘AI大浪潮实现金刚石应用产业突围。
- 2030年全球金刚石散热片市场规模有望超500亿元。
