金刚石散热：AI芯片散热材料革命

本报告导读： 金刚石凭借卓越的热学性能，有望成为下一代高功率AI芯片散热的重要技术方向，潜在市场空间广阔。 计算机《计算机周观点第48期：豆包推出付费专业版，AI需求提振存储美光业绩超预期》2026.06.28计算机《计算机周观点第47期：Anthropic首次盈利，两大超级应用开启AI原生之路》2026.06.22计算机《Token经济学：Token工厂价值锚重构，价格分层与需求跃迁共振》2026.06.18计算机《未来产业之量子科技：三域并进，产业化窗口开启》2026.06.17计算机《Anthropic新模型Fable 5性能跃升，遭政府出口管制，AI主权化趋势凸显》2026.06.14 投资要点： 金刚石凭借卓越的热学性能，成为下一代高功率AI芯片散热的重要材料。随着单芯片功耗不断突破，传统铜基散热方案逐渐面临热流密度提升和局部热点控制难题。金刚石室温热导率可达2000-2200W/(m·K)，同时具备与硅、碳化硅等半导体材料高度匹配的低热膨胀系数，可有效降低热应力。金刚石散热已知的技术路径有金刚石热沉片，金刚石/金属复合材料以及金刚石与微通道液冷集成等，从技术层面看，金刚石-铜复合材料的热导率可达800W/m·K左右，工艺成本相对较低，是当前落地较快的技术路线。 2026年有望成为金刚石散热规模化商用元年。英伟达明确表示新一代Vera Rubin架构GPU将采用“金刚石铜复合散热盖+45摄氏度温水直液冷”散热系统，从而对高功率芯片进行有效控温。英特尔CEO陈立武也称投资了一家人造金刚石晶圆公司，看好钻石作为散热材料在芯片封装领域的应用潜力。2026年3月，金刚石冷却技术先锋Akash Systems宣布发售搭载AMDInstinct™MI350X GPU的金刚石冷却AI服务器。 若金刚石散热方案在高端场景中实现规模应用，潜在市场空间可期。随着芯片向更高算力密度演进，液冷等热管理方案加速渗透，金刚石散热将成为高端AI芯片的重要技术方向，结合普华有策数据测算，2030年金刚石散热市场空间有望达53.5亿美元。当前全球多家企业已开展金刚石散热技术研发和商业化验证，中国企业具备成本优势，但在高端CVD技术、品牌认知和客户认证周期上仍处于追赶阶段。 风险提示。AI算力需求不及预期，市场渗透率不及预期，工艺成熟度提升不及预期。 目录 1.投资建议..........................................................................................................32.金刚石作为AI芯片散热材料具备显著优势................................................42.1.金刚石具备优异的热管理性能................................................................42.2.技术先验，商业化尚处早期阶段............................................................42.3.2026年有望成为金刚石散热规模化商用元年.......................................53.人造金刚石产业链：中国占全球供给主导，散热场景空间广阔...............63.1.生产端：HPHT与CVD双工艺并行......................................................63.2.需求端：液冷成高功率服务器散热重要方案，金刚石散热市场空间广阔74.人造金刚石板块景气度提升，产业链公司有望受益...................................84.1.海外企业:市场先发，寡头初现.............................................................84.2.国内企业：工业级产能和成本优势明显................................................95.风险提示........................................................................................................11 1.投资建议 随着AI大模型训练与推理需求持续增长，AI芯片向更高算力、更高功耗方向演进，先进封装和高效热管理成为制约算力释放的重要环节。金刚石凭借超高热导率、低热膨胀系数等优异性能，有望成为AI芯片散热的重要技术路径。目前，全球多家企业已积极布局金刚石散热领域，海外厂商在CVD金刚石材料、直接键合及系统级应用方面具备先发优势，国内企业依托在人造金刚石、超硬材料及装备制造领域的产业积累，正加速向半导体级金刚石材料和热管理应用拓展，部分企业已开展下游客户送样、测试及小批量交付。尽管当前金刚石散热仍面临成本较高、大尺寸高质量晶体制备及封装工艺成熟度不足等挑战，但随着AI芯片功耗持续提升以及产业链技术不断成熟，金刚石散热有望迎来商业化加速阶段，相关材料、设备及应用环节具备长期成长潜力。 相关标的：四方达、国机精工、力量钻石、黄河旋风、沃尔德、中兵红箭、晶盛机电、惠丰钻石等。 2.金刚石作为AI芯片散热材料具备显著优势 随着AI加速器、HPC芯片算力需求持续提升，传统二维芯片架构难以满足带宽与集成要求，台积电CoWoS、SoIC等2.5D/3D先进封装技术逐渐成为主流解决方案。伴随制程微缩，单位面积可容纳的晶体管数量大幅增加；高性能芯片为释放算力持续提升集成度，导致单位面积晶体管数量和功耗密度持续提升，芯片内部热流密度快速接近传统散热材料的物理极限。 散热已成为决定AI系统实际性能输出的关键因素。热极限直接影响着持续token吞吐量、能源效率、系统持续性能与正常运行时间等，当芯片温度无法维持在安全运行范围内时，系统会被迫降频，效率随之下降。而如今，传统铜、铝等散热材料已逐渐难以满足未来高功率AI系统的需求，具有极高热扩散能力的新型热管理材料成为产业关注方向。 2.1.金刚石具备优异的热管理性能 首先金刚石的热导率极高。单晶金刚石具有任何块体材料中最高的热导率，可达到2000W/(m·K)，是硅(Si)、碳化硅(SiC)和砷化镓(GaAs)热导率的13倍、4倍和43倍，比铜和银的热导率高出4-5倍。在热导率要求比较高时，金刚石是最具潜力的可选热沉材料。金刚石的高热导率来自其特殊的晶体结构，金刚石的碳原子形成强共价键，晶格刚性高，声子散射弱，因此传热速度快。 除高热导率外，金刚石的另一优势是优秀的CTE（热膨胀系数）匹配能力。以金刚石铜材料为例，其热膨胀系数与SiC、GaN等半导体材料完美匹配，因此可以有效减少界面热应力，确保器件在极端温差环境下的长期稳定性。黄 河 旋 风 自 主 研 发 的 “ 金 刚 石—碳 化 硅 复 合 材 料 ” 热 膨 胀 系 数 低 至2.6ppm/℃，与芯片硅衬底2.5ppm/℃的热膨胀系数高度匹配，解决了高算力芯片散热与热匹配的核心痛点。 2.2.技术先验，商业化尚处早期阶段 金刚石散热已知的技术路径有金刚石热沉片，金刚石/金属复合材料以及金刚石与微通道液冷集成等。从技术层面看，CVD多晶金刚石热沉片（6-8英寸）的制备工艺已基本成熟，热导率稳定在1500W/m·K以上，部分企业可量产2000W/m·K级别的高端产品。金刚石-铜复合材料的热导率可达800W/m·K左右，工艺成本相对较低，是当前落地较快的技术路线。 金刚石热沉片采用化学气相沉积法（CVD）制备，含碳气体和氢气的混合物在低于标准大气压的高温高压下被激发分解，形成活性金刚石碳原子，然后沉积在基底（如GaN）上形成聚晶金刚石。其技术难点主要在于大尺寸金刚石的制备和对高硬度金刚石进行高精度的打磨抛光。 金刚石与微通道液冷集成是把金刚石的高热扩散能力与微通道液冷的高换 热系数结合，金刚石负责将芯片内部热量快速横向扩散，液冷系统则高效带走纵向传递的热量。技术上面临微尺度制造技术约束、成本高昂、两相沸腾不稳定性、长期可靠性等问题。 资料来源：化合积电 资料来源：北大集成电路学院 金刚石/金属复合材料是将金刚石颗粒/骨架掺入Cu、Al、Mg等金属基体，如金刚石/铜复合材料是将金刚石颗粒加入铜基体中，得到的材料兼具高导热性、低膨胀系数、优异的机械性能和良好的电学性能。 金刚石-铜复合材料的热导率可达800W/m·K左右，工艺成本相对较低，是当前落地较快的技术路线。尽管如此，行业普遍认为其应用尚处于“早期验证阶段”，大规模商用仍面临技术、成本、生态协同的多重瓶颈。 技术层面，三大难题制约产业化推进：一是金刚石与铜本质上不浸润，如何改善金刚石和铜的界面热阻是技术核心。若界面过渡层未达预期，热导率会大打折扣，甚至不如纯铜；二是大尺寸产品的性能均匀性，金刚石铜复合材料在尺寸增大后易出现局部性能偏差；三是精密加工难度，金刚石的高硬度导致加工成本居高不下。 成本层面，金刚石原材料价格约为纯铜的8-10倍，叠加加工成本，让很多中低功耗场景望而却步。 产业链层面，从材料供应到芯片设计、封测、系统集成的协同体系尚未成熟，缺乏统一的可靠性评价标准，验证周期漫长。 2.3.2026年有望成为金刚石散热规模化商用元年 AI芯片龙头企业正在积极探索金刚石散热在下一代高功率计算平台中的应用潜力。在CES 2026上，英伟达明确表示新一代Vera Rubin架构GPU将采用“金刚石铜复合散热盖+45摄氏度温水直液冷”散热系统，从而对高功率芯片进行有效控温。英伟达新一代Vera Rubin架构单GPU热耗将高达2300W，芯片表面局部热流密度超过1000瓦/平方厘米。 此外，半导体巨头英特尔也开始关注人造金刚石在先进封装领域的潜在价值。6月18日，在No Priors播客节目上，英特尔CEO陈立武称投资了一家人造金刚石晶圆公司，看好钻石作为散热材料在芯片封装领域的应用潜力，并表示英特尔正将投注重心转向先进封装技术EMIB、玻璃基板、以及氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)和人工合成钻石等新材料领域，以应对传统工艺节点微缩趋近物理极限的挑战。 2026年3月，金刚石冷却技术先锋Akash Systems宣布正式发售首款搭载AMD Instinct™MI350X GPU的金刚石冷却AI服务器，这也是DiamondCooling®金刚石冷却技术首次在搭载AMD Instinct™GPU的AI数据中心实现商用部署。Akash计划26年面向更多AMD Instinct™GPU系统推出DiamondCooling®金刚石冷却解决方案，其中包括AMD Instinct MI355XGPU及新一代AMD Instinct GPU。据Akash官网数据，搭载该散热技术的数据中心能在高达120华氏度的环境温度下保持高性能运行，提高15%的Token吞吐量。 资料来源：Akash Systems，PR Newswire 3.人造金刚石产业链：中国占全球供给主导，散热场景空间广阔 2025年，我国人造金刚石产量已占全球总产量的95%，其中工业级金刚石产销量均占全球90%以上，行业总产值突破170亿元人民币。凭借压倒性的生产能力，我国占据着全球市场的绝对主导地位，但主流应用场景仍集中在切削工具等传统制造业场景，在AI芯片散热领域的渗透率较低。 3.1.生产端：HPHT与CVD双工艺并行 目前主流的人造金刚石培育的方式为高温高压法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）法两种。高温高压法（HPHT）是在高温高压的舱室内将碳原料（如石墨）溶解在金属助溶剂中，然后在晶种上结晶形成钻石晶体；化学气相沉积法（CVD）是利用能量源（如微波束