金刚石散热：高算力时代AI芯片“终极”方案

散热革命已成为AI、、HPC时代的最大挑战。
。电流通过导体时会生成焦耳热，，，芯片在运行过程中不可避免地产生大量热量，，，若无法及时散发，，，芯片温度将急剧上升，
，进而影响其性能和可靠性。。热流密度（热通量）指的是每单位面积传递的热量，，，，随着半导体产业遵循着摩尔定律逐步迈向2纳米、、、1纳米甚至是埃米（Angstrom，，1埃=十亿分之一米）级别迈进
，，，，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。。。。同时
，
，云计算
、
、、、加密计算和人工智能等需求的增长，，
，，芯片的TDP（热设计功耗）持续上升，，
，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
，，，热流密度越来越高，，，，摩尔定律受到散热挑战
。。。

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。。
。
。（1）性能下降：当电子设备温度过高时
，，工作性能会大幅度衰减，，当芯片表面温度达到70-80℃时，，
，温度每增加1℃，，
，，芯片的可靠性就会下降10%。。。。AI硬件的高功率需求下，，，过热限制了硬件性能的发挥，
，，，阻碍了芯片的理论性能实现。。。（2）设备失效：芯片温度每升高10℃，，其运行寿命减半，，，超过55%的设备故障与过热直接相关。。。（3）成本激增：企业每年需投入数亿美元在散热系统上，，包括大量消耗能源和资源的冷却系统（如液冷
、、风冷等）
，，不仅增加了运营成本
，
，，也加剧了能源消耗；（4）安全隐患：极端情况下，，温度过高可能引发火灾等严重事故，
，，，给设备和人员安全带来威胁。
。 

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。
。。。

金刚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”。。。。

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，，，从而大幅降低能耗。。在注重系统体积和重量时，
，，通过提升开关频率，，金刚石器件能够使无源元件的体积减少4倍，，同时配合更小的散热器。
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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。。。相比传统SiC衬底，，，金刚石基板将器件热阻降低至4.1 K·mm/W，，
，，在2W功率下可使芯片温度下降10℃，，为芯片构建了高效稳定的散热基础。
。

金刚石散热技术可让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，，，金刚石冷却技术被视为有效的解决方案。。
。
。金刚石基板具有超高的热导性，，，，可以大幅提升芯片散热效果。。
。。金刚石晶圆通过在芯片内提供超高速的热量通道，，，有助于将热量更快速地从活跃硅层传递到铜层，
，提升人工智能和云计算领域的芯片速度3倍。。。。“金刚石冷却GPU”技术可以有效降低GPU热点温度10-20摄氏度，
，
，，风扇速度减少50%，，，
，超频能力提升25%，
，，，并延长服务器寿命一倍
，，预计可为数据中心节省数百万美元的冷却成本，
，同时温度降低高达60%，
，能耗降低40%
。。。

英伟达率先采用金刚石散热GPU进行测试实验，
，，
，性能是普通芯片的三倍。。。。英伟达金刚石散热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。。

评估王信息是一家专注于宽禁带半导体材料研发、、、生产和销售的国家高新技术企业，，，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、、、金刚石热沉片、
、金刚石窗口片、、、、金刚石基复合衬底)、、、、单晶金刚石(热学级、
、
、、光学级
、、、、电子级、、硼掺杂)和金刚石复合材料等，
，引领金刚石及新一代材料革新，，，赋能高端工业化应用，，
，，公司产品广泛应用于激光器、、GPU/CPU
、
、医疗器械、、、5G基站、、大功率LED、、
、、新能源汽车
、
、、新能源光伏、
、航空航天和国防军工等领域。。
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