钻石芯片：打开AI潜力的钥匙丨

高算力时代背景下，芯片热流密度变得越来越高，散热革命已逐渐成为AI、HPC时代最大挑战。金刚石（钻石）基于独特电学和热导的优势，成为一种高效的散热解决方案，在高算力时代背景下具有划时代意义和产业化潜力。

随着培育钻石技术的成熟和产业化进程的加速，钻石散热技术有望在多个领域实现广泛应用，未来前景广阔。近期，开源证券机械团队发布行业深度报告《钻石散热：高算力时代的终极方案，打开AI潜力的钥匙》，带您深入探讨钻石散热的发展趋势以及广阔应用前景。

钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士

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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。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。

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。

高功耗芯片TIM散热路径示意图

资料来源：半导体行业观察

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。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”。

四代半导体材料发展演变之路

数据来源：DT新材料、开源证券研究所

金刚石（钻石）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”。

金刚石为半导体材料领域“六边形战士”，被视为“终极半导体”

资料来源：化合积电

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，从而大幅降耗。

SCD、PCD作为衬底材料热导率优势明显

资料来源：DT新材料

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。

金刚石作为半导体衬底具有优异的散热性

资料来源：化合积电

钻石散热：高算力时代的“终极”方案，打开AI潜力的钥匙

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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。

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。

带金刚石VS不带金刚石GPU性能实测对比

资料来源：Akash Systems

英伟达率先采用钻石散热GPU进行测试实验，性能是普通芯片的三倍。据Diamond Foundry官网，图中显示英伟达钻石散热GPU，可使AI及云计算性能提升三倍。据报道，英伟达率先在未发布的高端GPU进行采用金刚石散热方案的测试实验，其性能是基于标准制造材料的普通芯片的三倍。

2、 电动汽车：钻石纳米膜，将电动汽车充电速度提升五倍

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。2024年3月，弗劳恩霍夫研究所的工程师开发了一种超薄钻石纳米膜，用于冷却电子元件，从而显著提升电动汽车的充电速度。研究人员估计，钻石纳米膜可以将电子元件的热负荷降低10倍，这当然会提高这些元件和整个设备的能源效率和使用寿命。研究小组表示，如果将这种薄膜整合到充电系统中，可以将电动汽车的充电速度提高五倍。该团队已为该技术申请了专利，并计划未来在电动汽车和电信领域的逆变器及变压器上进行测试。

独立式多晶金刚石纳米膜可将电动汽车充电速度提升5倍

资料来源：弗劳恩霍夫协会

基于钻石技术的逆变器体积小六倍，性能更卓越。在电动汽车领域，逆变器是关键组件之一。目前，特斯拉的Model 3逆变器被认为是业界最小型的逆变器。然而，基于钻石晶圆的卓越导热性和电绝缘性，创新的逆变器架构能够显著提升小型化、效率和稳定性。Orbray与丰田旗下车载半导体研发企业 Mirise Technologies 签订协议，共同研发钻金刚石功率半导体。

3、太空卫星：增强通讯速度，数据速率提高 5-10 倍

钻石冷却增强太空卫星通讯速度，数据速率提高 5-10 倍。Akash Systems 通过钻石冷却卫星无线电彻底改变了卫星通信技术，在卫星无线电和功率放大器的生产中发挥关键作用，带来以下优势：数据速率提升5到10倍，显著增强卫星通信速度；可靠性提升，可在严酷的太空环境中保持稳定表现；尺寸减小50%，降低了成本并提升了部署的灵活性。

4、无人机：解决无人机续航问题，无需大电池也能飞行

人造钻石解决无人机续航问题，无需大电池也能飞行。2018年11月，瑞士公司LakeDiamond利用自制的人造钻石和激光发生器相结合，成功实现了无人机的远程无线充电。通过激光激发钻石，产生的光束能够在远距离内保持高质量的照射效果。

5、量子计算、核处理等领域应用潜力突出

除了半导体和电动汽车外，钻石散热还在量子计算、核处理等方面打开应用潜力。

量子计算：金刚石正在成为量子信息设备的核心材料。此外，印度也看到了量子计算领域的重要性，并计划投资42亿卢比建立“国家培育钻石中心”，旨在通过培育钻石的生产和设备技术开发，推动量子计算领域的研究。

核处理：金刚石具有强大抗辐射能力，助力核废料清除。由北海道大学和国立产业技术综合研究所（AIST）孵化的初创公司Ookuma Diamond Device，正在福岛县大隈市建设一座大型量产工厂。该工厂预计将在2026财年（2026年4月至2027年3月）投入使用，专门为福岛第一核电站的核废料清除提供设备。这些核废料源自2011年福岛核泄漏事故中反应堆结构和核燃料熔化产生的高放射性物质，只有具有强大抗辐射能力的金刚石半导体设备才能有效处理这些危险废料。

产业化进入“从0到1”阶段，培育钻石产业链大放异彩

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