金刚石散热行业研究：开启AI芯片散热新纪元

摘要

国金证券认为金刚石是理论综合性能最优的散热材料，单晶金刚石室温热导率达2000～2200W/(m·K)、为铜的5～6倍，兼具低热膨胀系数、优异电绝缘性与低介电常数，是解决AI芯片、GaN功率器件高热流密度散热难题的“终极材料”。 随着GPU功率密度提升与芯片向2.5D/3D堆叠演进，局部热点热流密度可达1000～2500W/cm²，全面超越传统风冷、铜液冷板乃至两相液冷方案上限，金刚石超高热导率有望成为终极解决方案。 材料路线上，金刚石铜（热导率600～1000W/(m·K)）实现成本性能平衡、最接近大规模量产，单晶/多晶金刚石更为理想且多晶有望先行落地，并可通过独立热沉、键合、外延生长三种方式与半导体器件结合。 产业化进展明显加速：2026年2月Akash Systems完成全球首批搭载金刚石散热的英伟达H200 GPU服务器交付，GPU热点温度降低55～60℃、性能提升15%，随后推出AMD MI350X金刚石冷却服务器并获3亿美元订单；国内黄河旋风建成首条8英寸金刚石热沉片产线（一期投资3.6亿元、年产能2万片），沃尔德已实现最大320mm×320mm散热片制造并向客户交付验证。 报告建议关注沃尔德、黄河旋风、国机精工、四方达、中兵红箭、力量钻石等布局企业，风险为大规模商用进展不及预期与下游需求不及预期。

主要观点

• 金刚石为理论综合性能最优的散热材料：单晶金刚石室温热导率达2000～2200W/(m·K)，是铜的5～6倍、铝的9倍以上，兼具低热膨胀系数（约1.0～1.2×10⁻⁶/K）、优异电绝缘性（电阻率>10¹²Ω·cm）与低介电常数（5.7），被视为解决AI芯片、GaN功率器件高热流密度散热难题的“终极材料”。

• 金刚石铜是最接近大规模量产的技术路线：热导率可达600～1000W/(m·K)、为纯铜（约400W/(m·K)）的1.5～2.5倍，CTE可精准调控至5～7×10⁻⁶/K与SiC、GaN等功率半导体高度匹配；华太电子量产级产品热导率已稳定达800W/(m·K)，较数据中心主流散热材料提升一倍以上。

• 单晶/多晶金刚石是更理想的散热材料，其中多晶有望先行落地：多晶金刚石热导率通常在1000～1800W/(m·K)区间，低于单晶，但通过HFCVD或MPCVD制备可实现更大沉积面积与更低制备成本。

• 金刚石可通过独立热沉、键合、外延生长三种方式与半导体器件结合：独立热沉经TIM贴合工艺最简单、可拆解更换；键合方面，富士通2019年报道的金刚石-GaN-金刚石双层散热结构使热点温度较无金刚石结构下降77%；外延直接连接可达到最优散热效率。

• AI芯片功耗指数增长已超越传统散热物理极限：英伟达GPU单芯片功耗从2020年A100的400W跨越至2024年Blackwell的1000W、风冷时代终结，2026年Rubin/VeraRubin架构进一步提升至1200W以上，2028年规划中的Feynman架构预计突破2000W、已超越传统液冷极限区间。

• 散热瓶颈已转移至芯片近结界面：CoWoS、SoIC等2.5D/3D堆叠延长热路径，先进封装Low-k介电材料热导率仅0.2～0.4W/(m·K)是芯片内部散热最主要瓶颈，TIM1（4～80W/(m·K)）、铜封装盖（约400W/(m·K)）、TIM2（约2～7W/(m·K)）界面热阻随堆叠高度指数级累积。

• 单晶金刚石实现芯片功耗承载力4倍量级跃迁：采用薄硅+单晶金刚石（ThinSi+SCD）方案后，780W功率下芯片最高温度仅69℃、平均63℃，而传统硅方案在3200W功率下最高温度已达100℃、平均87℃。

• 金刚石电学特性兼容AI芯片高压应用：禁带宽度达5.47eV，远高于SiC（3.26eV）、GaN（3.4eV）与硅（1.12eV）；击穿场强约10MV/cm，是SiC的3倍以上、硅的30倍以上。

• 海外应用端开始验证切入：2026年2月Akash Systems完成全球首批搭载Diamond Cooling的英伟达H200 GPU服务器交付（客户为印度主权云服务商NxtGen AI），GPU热点温度降低55～60℃、全程满频运行、性能提升15%；同年3月推出AMD Instinct MI350X金刚石冷却服务器并获3亿美元订单，由MiTAC Computing制造；英特尔CEO宣布投资一家人造金刚石晶圆公司。

• 海外龙头产品加速落地：Element Six于2025年1月发布热导率约800W/(m·K)的铜-金刚石复合材料并已斩获较多订单；Coherent于2026年3月发布Thermadite 800液冷板（Diamond-SiC复合、热导率800W/(m·K)）；Diamond Foundry于2023年制造世界首块4英寸单晶金刚石晶圆，其芯片级直接键合技术使AI芯片最高可实现10倍速度提升、数据中心单位机架空间最高承载5倍功率。

• 国内供应端积极扩产：黄河旋风2026年2月建成国内首条8英寸金刚石热沉片生产线（热导率2000～2200W/(m·K)、一期投资3.6亿元、年产能2万片）；沃尔德已实现最大尺寸320mm*320mm、兼容直径50mm-300mm主流晶圆尺寸的金刚石散热片制造并向客户交付验证；力量钻石2026年披露二期采购计划为300台MPCVD设备、100台激光切割机及20台制氢和纯化设备；惠丰钻石拟总投资10亿元建设CVD金刚石项目，一期约5亿元、拟安装500台MPCVD设备。

• 国内应用端同步验证：中科院宁波材料所联合宁波赛墨科技（中科院+华为战略投资）研发的金刚石/铜散热模组已应用于曙光数创C8000 V3.0兆瓦级相变浸没液冷整机柜方案，芯片模组传热能力提升80%，并供货华为、寒武纪等国产AI厂商；中京烽火“寒穹”方案已在国家电网旗下智芯微电子AI服务器批量部署，芯片结温从峰值90°C+稳定至80°C以下、风扇负载率从95%降至60%。

论述逻辑

• 起点：AI算力扩张从整体功耗与局部热流密度两个维度同时突破传统散热极限——登纳德缩放定律于2000年代中期失效，晶体管数量增加而功耗密度无法同步降低，使芯片总功耗随算力急剧攀升，英伟达GPU单芯片功耗四年内从400W升至1000W，且该趋势不存在逆转可能。

• 推演：芯片向CoWoS、SoIC等2.5D/3D堆叠演进，热路径延长、界面热阻叠加，AI芯片局部热点热流密度可达1000～2500W/cm²，散热瓶颈从系统级换热彻底转移至芯片近结界面，传统风冷、铜液冷板乃至两相液冷方案上限被全面超越。

• 材料答案：金刚石凭借断层领先的热导率、与主流半导体高度匹配的低热膨胀系数和极限电学特性，被认定为“终极材料”——其极高热导率可在芯片近结界面实现高效横向均热，将局部热点温度显著拉平后再传导至外部冷却系统，从根本上解决传统材料无法应对的近结界面散热瓶颈。

• 路径分层：先以成本性能平衡的金刚石铜（600～1000W/(m·K)）最快实现产业化落地，单晶/多晶金刚石中多晶有望先行；结合工艺按独立热沉（TIM贴合、最简单通用）→键合（封装阶段间接连接）→外延（直接生长、最优散热效率）三级递进，未来金刚石与AI芯片连接使用有望成为新的产业趋势。

• 验证与结论：海外Akash Systems交付英伟达H200与AMD MI350X金刚石冷却服务器、英特尔投资人造金刚石晶圆公司，国内黄河旋风、沃尔德等供应端扩产且曙光数创、智芯微电子应用落地，共同支撑“金刚石散热具备成为AI芯片散热终极解决方案潜力、未来潜在成长空间巨大”的结论，建议关注积极布局金刚石散热领域的企业。

关键展望

• 功耗路线图给出明确验证节点：2026年Rubin/VeraRubin架构功耗进一步提升至1200W以上，2028年规划中的Feynman架构单芯片功耗预计突破2000W，已超越传统液冷的极限区间。

• 供应链商业化时间表：Orbray已实现2厘米见方金刚石衬底突破，计划2026年内实现大尺寸(111)金刚石衬底商业化并向4英寸衬底晶圆目标推进；SP3的SOD技术已实现100mm直径量产，未来有望进一步放大至300mm规格。

• 产业趋势判断：未来将金刚石和AI芯片进行连接使用有望成为新的产业趋势；考虑金刚石向GPU晶圆等领域推广，可能产业化方案以原子扩散键合技术为主流，使用Au、Mo、Ag、Cu等金属作为键合层。

• 风险提示：大规模商用进展不及预期——当前金刚石晶圆与GPU直接固晶键合、大尺寸CVD单晶制备工艺仍处于客户送样与小批量验证阶段，若良率提升、产能爬坡、客户验证进度慢于预期将延缓渗透节奏；下游需求不及预期——需求高度依赖AI资本开支与高功耗GPU迭代节奏。

推荐标的

• 报告未给出个股评级与目标价，投资建议为“建议关注积极布局金刚石散热领域的沃尔德、黄河旋风、国机精工、四方达、中兵红箭、力量钻石等”，盈利预测取自Ifind 2026年8月12日一致预期。

• 沃尔德（688028.SH）：国内少数掌握CVD法三大工艺（MPCVD、热丝、直流电弧）的企业，2026年3月拟募集不超过3亿元、其中约1.67亿元投向金刚石功能材料产业化及研发中心项目，已实现最大320mm*320mm、兼容直径50mm-300mm晶圆尺寸散热片制造并向客户交付验证；总市值134亿元，Ifind一致预期2026E-2028E归母净利润1.43/1.78/2.46亿元，对应PE 94/75/54倍。

• 黄河旋风（600172.SH）：2026年2月建成国内首条8英寸金刚石热沉片生产线，热导率达2000～2200W/(m·K)，一期投资3.6亿元、年产能2万片；总市值180亿元，2024A/2025A归母净利润-9.83/-9.50亿元，PE为N/A。

• 国机精工（002046.SZ）：具备从六面顶压机到MPCVD设备的全链能力，2025年金刚石散热和光学窗口收入超千万、主要供应国防工业领域，2025年1月作为主要起草单位之一参与编制国内首个团体标准《热沉用金刚石片》，民用散热产品已向国内客户送样测试；总市值256亿元，2026E-2028E归母净利润3.21/4.13/4.81亿元，对应PE 80/62/53倍。

• 四方达（300179.SZ）：2025年12月宣布具备制备大英寸金刚石衬底与薄膜的能力，在衬底尺寸方面处于国内领先地位；总市值178亿元，2026E-2028E归母净利润1.69/2.92/4.17亿元，对应PE 105/61/43倍。

• 中兵红箭（000519.SZ）：旗下中南钻石具备HPHT和CVD双技术路线，正加大多晶金刚石热沉领域研发投入；总市值207亿元，2025A归母净利润0.42亿元，2026E-2028E归母净利润4.79/6.90/9.09亿元，对应PE 43/30/23倍。

• 力量钻石（301071.SZ）：2025年1月正式建成投产半导体高功率散热片项目（与台湾捷斯奥联合研发制造大尺寸散热片），2026年披露二期金刚石功能材料采购计划为300台MPCVD设备、100台激光切割机及20台制氢和纯化设备；总市值154亿元，2026E-2028E归母净利润2.37/4.26/6.92亿元，对应PE 65/36/22倍。