当传统散热方案在高算力芯片面前力不从心时，钻石——这个自然界最硬的材料，正以“终极散热解决方案”的姿态走上历史舞台。开源证券研究报告指出，钻石散热市场规模有望从2025年的0.5亿美元增长至2030年的152亿美元，复合增速达214%。英伟达率先在高端GPU中测试钻石散热方案，华为接连公布钻石散热相关专利，Akash Systems获得美国芯片法案1820万美元资助——全球产业化“从0到1”临界点已至。
散热革命——高算力时代的“卡脖子”难题
随着半导体遵循摩尔定律迈向2nm、1nm甚至埃米级别，芯片尺寸不断缩小、功率不断增大，带来了前所未有的热管理挑战。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。当芯片表面温度达到70-80℃时，温度每增加1℃，芯片可靠性下降10%；芯片温度每升高10℃，运行寿命减半；超过55%的设备故障与过热直接相关。NVIDIA Blackwell架构GPU采用4nm工艺、拥有2080亿个晶体管，在配备72颗处理器的服务器中，过热限制了性能并可能损坏硬件，每个机架功耗高达120千瓦。散热革命已成为AI、HPC时代最大挑战——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。
钻石——从“首饰”到“终极半导体”的跨越
金刚石的热导率达到1000-2000W/m·K，是硅的13倍、碳化硅的4倍、铜和银的4-5倍。在热导率要求为10-200W/(m·K)之间时，金刚石是唯一可选的热沉材料。但钻石的价值远不止于散热——其禁带宽度5.5eV、击穿电场强度10⁹V/m（是SiC的2.5倍、GaN的2倍），电子迁移率4500cm²/V·s、空穴迁移率3800cm²/V·s。卓越的导热性、载流子迁移率、击穿电场强度等关键特性，使金刚石被视为“第四代半导体”和“半导体终极材料”——堪称材料领域的“六边形战士”。与SiC相比，钻石芯片成本可便宜30%，所需材料面积仅为SiC芯片的1/50，减少3倍能量损耗，并将芯片体积缩小4倍。金刚石散热主要有三种方式：作为金刚石衬底、作为热沉片、以及在金刚石结构中引入微通道散热。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。
表1：金刚石与传统散热材料热导率对比| 材料 | 热导率（W/m·K） | 相对金刚石比例 |
|---|
| 金刚石 | 1000-2000 | 1x |
| 铜（Cu） | ~400 | 1/4-1/5 |
| 银（Ag） | ~430 | 1/4-1/5 |
| 碳化硅（SiC） | ~490 | ~1/4 |
| 硅（Si） | ~150 | ~1/13 |
| 砷化镓（GaAs） | ~46 | ~1/43 |
产业化加速——英伟达、华为、Akash Systems共同验证
2024年是钻石散热产业化加速的关键之年。英伟达率先在未发布的高端GPU中采用金刚石散热方案测试实验，据Diamond Foundry官网，其性能是基于标准制造材料的普通芯片的三倍，可使AI及云计算性能提升三倍，温度降低60%，能耗降低40%。2024年11月，Akash Systems与美国商务部签署初步条款备忘录，根据《芯片与科学法案》获得1820万美元直接资助和5000万美元联邦及州税收抵免——美国芯片法案对小公司和初创公司的资助极为罕见，充分体现了对钻石散热前景的认可。华为坚定入局钻石散热赛道：2023年10月，华为与哈工大联合申请“基于硅和金刚石的三维集成芯片混合键合方法”专利；2024年12月，华为申请“使用金刚石散热层的半导体器件”专利，通过钝化层凹槽结构增加散热接触面积、减小热扩散距离，大幅提高半导体器件散热效率。国内化合积电（光莆股份持股）已具备较为完整的金刚石半导体材料解决方案，是国内首家实现MPCVD技术规模化量产多晶金刚石的厂家，2024年3月获贺利氏战略投资，产业化进入“从0到1”阶段。
