2026年行业进入金刚石散热产业化验证关键窗口，AI高功耗 GPU驱动材料替代逻辑持续强化，国内产业链同步加速设备扩产与客户送样认证。硬件端，NVIDIA Rubin架构GPU功耗最高达 2300W，传统铜基散热难以匹配超高局部热流密度；供给端，金刚石头部企业集中落地大额CVD扩产项目，MPCVD设备产能持续放量，国内首条8英寸大尺寸金刚石热沉产线已投产；应用层面，国内郑州国家超算互联网核心节点已完成金刚石铜复合模组规模化部署，产业链从实验室测试走向批量验证阶段。

摘要

高功率算力芯片打开金刚石长期增量空间。近端散热与液冷形成互补体系，当前H100、Blackwell、Rubin系列GPU功耗持续突破千瓦级，3D封装进一步抬升芯片局部热流，铜铝材料热传导瓶颈凸显；金刚石具备2000W/m・K级别超高热导率、低热膨胀系数，可快速摊平芯片热点。产业落地层面，金刚石负责芯片近端均热扩散，液冷承担机柜系统级排热，二者并非替代关系，中金研究认为未来高端AI服务器有望采用“金刚石热沉 + 全液冷”复合散热方案。

MPCVD设备自研与后道加工构成产业核心壁垒。HPHT工艺在培育钻石与中低端散热微粉领域应用成熟，MPCVD凭借纯度、尺寸优势，成为高端芯片级金刚石散热片的主流制备路线；产业链价值集中于MPCVD生长设备、激光切割/CMP精密后加工两大环节，微波源、高真空腔体、高端抛光设备存在技术门槛。企业层面，国机精工依托MPCVD设备自研能力布局产能，四方达通过子公司天璇半导体打通设备-材料一体化产能，部分厂商聚焦热沉产品客户认证，中金研究认为具备设备自研、大尺寸量产、完整加工能力的厂商将持续拉开成本与交付差距。

风险

下游客户认证周期不及预期，规模化量产良率偏低、成本高企，替代散热路线技术迭代冲击等风险。

正文

金刚石导热材料开启AI热管理新周期

应用导入：高功率芯片推动近端散热材料升级

AI芯片功率提升抬高近端导热要求。根据NVIDIA官网披露，H100 SXM最大TDP最高700W，Blackwell Ultra / B300进一步提升至最高1400W；SemiAnalysis预计Rubin GPU功耗或对应Max-Q约1800W、Max-P约2300W两档配置。随着单颗GPU功耗迈向千瓦级，铜基散热材料仍是主流方案，但在局部热点扩散和芯片温度控制上的边际改善空间收窄。中金研究认为，金刚石及其复合材料有望作为近端热扩散增强材料，进入高功率AI芯片散热体系。

图表1：NVIDIA数据中心GPU单颗功耗持续提升

资料来源：NVIDIA官网，NVIDIA Blackwell Ultra Datasheet，SemiAnalysis，中金公司研究部

金刚石适配高热流近端导热。金刚石兼具高热导率、电绝缘、低热膨胀和化学稳定性，可加速芯片局部热点扩散，并缓解与硅基芯片、封装结构之间的热应力失配。应用端覆盖AI芯片散热、高频/功率器件、光学窗口和量子技术等场景，产品形态包括单晶/多晶散热片、CVD金刚石热沉、散热晶圆及金刚石铜/铝复合散热板。

金刚石散热路线呈分层导入。单晶金刚石晶格连续、晶界缺陷少，热导率和材料一致性更有优势，但大尺寸生长、加工良率和成本约束较强；多晶CVD金刚石在热导率和片材尺寸之间更易平衡，适合作为高功率芯片近端热扩散片；金刚石铜/铝复合材料则通过牺牲部分本体热导率，换取加工性、成本控制和封装适配性。

图表2：主流芯片近端散热材料性能及产业化阶段对比

资料来源：Element Six，A.L.M.T.，Engineering ToolBox，CSMH Semi，Kidalov，中金公司研究部

实验对比确认金刚石降温效果。实验室射频GaN HEMT测试显示，相较SiC衬底，金刚石衬底可使器件在高功率密度下的沟道温度降低约40%，对应单位面积RF功率密度提升约3倍，金刚石作为高热导热扩散材料能够显著降低高功率器件工作温度。中金研究认为，金刚石材料的后续产业化重点在于降低界面热阻、提升大尺寸片材一致性，并实现与芯片封装结构的稳定适配。

图表3：金刚石基氮化镓器件较碳化硅基氮化镓器件工作温度更低

资料来源：Liwen Sang, “Diamond as the heat spreader for the thermal dissipation of GaN-based electronic devices,” Functional Diamond, 2021; cited experimental result from Felbinger et al., IEEE Electron Device Letters, 2007.；中金公司研究部

温度分布揭示近端导热机制。Sang等对比AlGaN/GaN HEMT器件在金刚石与碳化硅衬底上的温度分布。在相同2W耗散功率、约3.2W/mm功率密度条件下，金刚石衬底器件的热点温度明显低于SiC衬底器件；随着耗散功率提升，金刚石衬底对应的器件温升斜率也更低。该结果验证了金刚石高热导率在局部热点扩散中的作用，即通过提升芯片近端横向导热效率，降低热量在器件局部区域的积聚。

图表4：金刚石与碳化硅衬底下氮化镓器件温度分布对比

资料来源：Sang, L. (2021), Diamond as the heat spreader for the thermal dissipation of GaN-based electronic devices, Functional Diamond, Figure 8，中金公司研究部

功能金刚石市场空间持续扩容。据DataInsightsMarket统计，全球金刚石功能材料市场规模预计由2025年的35亿美元增长至2031年的69.08亿美元，对应年复合增长率约12%，高端散热、光学窗口、功率器件、量子技术等下游应用场景共同推动需求增长。

Akash推动金刚石冷却首次进入AI服务器。 Akash Systems已将其Diamond Cooling®方案导入AI服务器场景，GPU-on-diamond方案可实现约60%的温度降低、2—4倍算力提升和约40%的能耗下降；2026年2月，公司进一步宣布向印度主权云服务商NxtGen AI PVT Ltd交付搭载Diamond Cooling®技术的NVIDIA H200 GPU服务器，预计可实现最高10°C的GPU温度下降、最高22%的FLOPs/Watt提升、在约120°F高环境温度下最高15%的token throughput提升，并可在高环境温度场景下可最高减少100%的主动制冷系统功耗，大幅降低数据中心PUE。

图表5：Akash金刚石基GPU芯片级导热方案示意图

资料来源：Akash Systems官网，中金公司研究部

图表6：Akash Diamond Cooling® AI服务器方案示意图

资料来源：Akash Systems官网，中金公司研究部

河南超算场景实现金刚石铜复合导热材料规模化应用。金刚石铜/铝复合散热材料属于并行的复合散热技术路线。中国科学院宁波材料所功能碳素材料团队制备的高导热金刚石/铜散热模组，已应用于兆瓦级相变浸没液冷整机柜方案C8000 V3.0，并在国家超算互联网核心节点重大科技平台（郑州，曙光Scale）实现集群部署。该方案可使芯片模组传热能力提升80%、芯片性能提升10%。

图表7：金刚石/铜高导热复合材料

资料来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中金公司研究部

CVD工艺路线：MPCVD设备与后道成形关键设备助力产业化应用放量

散热级金刚石材料通常采用CVD路线。HPHT（高温高压法）主要在高温高压环境下合成块状单晶或工业金刚石，适合培育钻石、磨料磨具和超硬材料；CVD（化学气相沉积）可在真空腔体中通过甲烷、氢气等气体沉积形成金刚石薄膜或片材，在尺寸、厚度和材料形态调控上更适合向芯片散热、功率器件和先进封装材料延伸。

微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）是散热级CVD核心方案。MPCVD通过微波激发甲烷、氢气形成等离子体，使活性碳基团在籽晶或基底表面沉积生长。MPCVD污染源更少、等离子体稳定性更高，具备高纯度、厚度可控和大尺寸扩展潜力，因此成为高热导金刚石片、热沉和热扩散材料的重点工艺方向。

图表8：HPHT高温高压合成示意图

注：通过设备模拟天然金刚石形成所需的高温高压环境，使碳源在金属触媒作用下溶解，并在金刚石籽晶表面析出结晶，最终生长形成金刚石。资料来源：GIA，中金公司研究部

图表9：CVD金刚石沉积生长示意图

注：图中微波束（Microwave Beam）向反应腔内输入能量，激发含碳气体形成等离子体云（Plasma Cloud）；气体分解后产生的活性碳基团作为沉积碳（Precipitating Carbon），在金刚石籽晶片（Seed Plates）表面持续沉积生长，最终形成CVD金刚石材料。资料来源：GIA，中金公司研究部

MPCVD产业链重点在设备与后道加工。金刚石散热片上游主要包括甲烷、氢气等工艺气体，单晶籽晶或硅、钼等衬底材料，以及中游MPCVD反应炉、微波源、真空系统和质量流量控制等核心设备；以及后道成形关键设备，包括衬底剥离与材料减薄、激光切割、研磨抛光、化学机械抛光（CMP）、金属化和检测分选，最终形成单晶/多晶金刚石片、热沉、热扩散片等CVD金刚石产品。

后道加工影响产业化良率。散热级金刚石从样片走向批量应用，核心约束在前段生长与后道精密加工的稳定性。由于金刚石硬度高、脆性强，切割损耗、表面粗糙度和翘曲控制会直接影响片材良率及后续封装适配。中金研究认为，MPCVD设备自研能力决定扩产成本，后道加工能力决定量产稳定性，二者共同构成散热级金刚石产业化壁垒。

产业展望：降本放量与散热体系协同

大尺寸单片成本仍处高位。从工艺环节拆分，单片成本压力更多来自长周期沉积、纳米级表面加工、低翘曲控制、切割损耗、崩边与应力开裂报废；研磨机、抛光机等高端精密加工设备部分仍依赖进口，进一步抬高前期单片制造成本。

降本路径集中在规模化。后续单片成本下降主要来自三条路径：1）MPCVD设备自研，降低设备采购、维护和工艺迭代成本；2）散热片单片尺寸由4英寸向6英寸、8英寸等不断放大，从而提高单炉有效产出面积，以摊薄折旧、人工和检测费用；3）提升CMP、激光切割、金属化和检测分选环节良率，减少单位合格片分摊的报废损失。中金研究认为，具备核心设备自研能力、大尺寸生长和批量加工能力的企业，有望获得单片降本优势。

认证周期制约放量。金刚石通常与芯片裸片、TIM、焊料、基板和散热器共同构成热路径（从芯片局部热点到封装基底之外），认证需要放在完整封装结构中完成。从样片测试到批量应用通常需要经历材料评估、封装工艺适配、小批量试产和平台认证等阶段。

中金研究认为，金刚石散热片的产业化节奏将先从高功率、高价值场景启动，前期以客户验证和试点订单为主，待工艺窗口、良率和认证数据稳定后，再向标准化封装平台和规模化订单扩展。

图表10：CVD金刚石散热片需嵌入完整封装结构进行验证

注：图中CVD 金刚石热扩散片位于半导体芯片与热沉之间，主要作用是将芯片局部热点产生的热量横向扩散并向下传导至热沉。TIM1/TIM2为导热界面材料，用于降低芯片、金刚石热扩散片和热沉之间的界面热阻；热沉负责将热量进一步传递至系统级冷却结构。CVD金刚石作为芯片近端高导热/热扩散材料，可以提升热量从芯片热点向外传导的效率。资料来源：Element Six《Advanced Solutions for the Semiconductor Industry》；中金公司研究部

近端导热与系统液冷协同升级。金刚石散热片主要解决芯片近端热扩散，将局部热点摊开并传导至热沉/冷板；液冷主要解决系统级热量搬运，通过冷板、冷却液和CDU等环节将服务器热量带出机柜。AI芯片功耗提升后，热管理链路需要同时强化近端导热和系统冷却能力。中金研究认为，金刚石散热片与液冷分别对应芯片近端和系统级散热环节，将共同构成高功率AI芯片散热体系。

远期重点关注芯片性能稳定性与系统散热冗余两类指标。 对于高功率AI芯片，近端热扩散能力提升后，同等功耗下有望释放更多频率和性能余量；同等性能下，则有助于降低封装及系统散热设计压力，并为液冷系统留出更大的温度、流量和功耗冗余。中金研究认为，金刚石散热片的远期价值将更多通过芯片端性能稳定性、封装级热管理效率和数据中心散热系统优化共同体现。

风险提示

下游客户认证周期不及预期：金刚石散热片需嵌入完整芯片封装体系开展长期可靠性测试，头部AI芯片、服务器厂商认证流程长达1-2年，若测试指标不达标或客户导入进度放缓，将延缓产品订单落地与产能消化节奏。

规模化量产良率偏低、成本高企：当前8英寸大尺寸CVD金刚石生长、精密抛光环节报废率较高，MPCVD设备折旧、高端加工设备采购抬高单片成本，若良率提升速度慢于预期，产品价格难以快速下探，会限制行业渗透率提升。

替代散热路线技术迭代冲击：石墨烯、液态金属、新型复合铜基散热材料持续研发迭代，若相关材料实现性能突破且成本显著低于金刚石，或分流中低端算力散热市场需求，压缩金刚石散热产业化空间。

注：本文摘自中金研究于2026年6月24日已经发布的《算力升温，金刚石破局：AI芯片近端散热材料产业化启航 》，分析师：郭威秀 S0080521120004；刘中玉 S0080521060003