AI算力高功耗倒逼散热升级:金刚石、碳化硅成材料关键方向

2026-06-11 17:40:00

AI大模型训练与推理需求快速增长,算力芯片功耗与热流密度持续攀升,传统散热方式逐渐难以匹配高功率场景。在此背景下,以金刚石、碳化硅为代表的高性能导热材料,在芯片散热、功率器件、数据中心供电等环节的应用价值凸显,国内产业链正加速布局,成为适配高端算力散热需求的核心材料方向。

一、AI芯片功耗持续走高,散热成为刚性约束

随着AI算力迭代升级,高端GPU芯片功耗大幅跃升,算力设备散热压力持续加剧。主流高端AI芯片功耗参数大幅超越传统芯片,其中H100芯片TDP约700W,Blackwell架构芯片TDP最高接近1400W,相较于传统数据中心300W以下的CPU,热流密度实现数倍提升。芯片工作过程中结温过高,会直接触发设备降频,不仅降低算力输出稳定性,还会大幅缩短芯片及硬件器件的使用寿命。

在数据中心部署层面,当前主流AI服务器单机柜功率已普遍达到120kW以上,而传统风冷散热模式的有效功率密度上限仅为20–50kW/柜,无法满足高功率算力机柜的散热需求。同时,国内数据中心PUE管控标准持续收紧,高效、节能、稳定的新型散热方案,已成为新建智能计算中心的标配。

与此同时,Chiplet、2.5D/3D先进封装技术的广泛普及,让多层芯片堆叠结构产生严重的层间积热、热串扰问题;第三代半导体功率器件在高压、高频的工作工况下,单位面积发热密度进一步提升,多重因素叠加,让高性能导热材料成为算力产业迭代的刚需,行业散热升级迫在眉睫。

二、金刚石:超高导热,高端算力散热核心材料

金刚石是目前已知导热性能最优的材料之一,导热系数约为铜的5倍、铝的10倍,凭借极致的导热效率,高度适配高功率AI芯片、光电器件等高端精密设备的高强度散热场景,是超高热流密度场景下的核心散热材料。

从产业落地现状来看,CVD多晶金刚石技术已趋于成熟,在散热衬底、热沉片等散热核心部件领域实现商业化量产与批量供货;金刚石功率器件目前仍处于研发迭代阶段,尚未实现规模化落地应用。相关科研成果显示,将超薄单晶金刚石嵌入芯片结构中,能够有效疏导高功率芯片工作热量,大幅提升高端芯片的散热效率与运行稳定性。

国内头部企业已加速布局高端金刚石功能材料赛道,发力算力散热领域。力量钻石2026年启动重大产能升级规划,调整募集资金用途,将超10亿元资金投入金刚石功能材料生产研发项目,聚焦半导体散热材料、光学材料等高端产品的规模化生产,打通单晶、多晶金刚石生长、精密加工到终端产品的全产业链布局,依托成熟的HPHT、CVD技术,精准匹配AI算力、半导体产业的高端散热需求。

目前国内金刚石产业链已形成集群化发展态势,黄河旋风、四方达、中兵红箭、国机精工、沃尔德等多家企业,均已布局工业金刚石及高端功能材料业务,覆盖培育钻石、工业金刚石、精密金刚石工具、功能性散热材料等多个核心领域,为国产金刚石散热材料产业化奠定了坚实的产业基础。

三、碳化硅:功率与散热双轮驱动,国产产业全球领跑

碳化硅具备高导热、高压耐受、高频低损耗的优异特性,是兼具功率器件应用与高端散热应用的双重核心材料,广泛应用于数据中心供电系统、车载电源、高端芯片先进封装等核心场景,在AI算力基础设施建设中不可或缺。

在碳化硅衬底核心领域,国内企业已实现全球领先。当前全球导电型碳化硅衬底市场格局中,国产企业占据核心份额,头部企业天岳先进的全球市占率位居第一,其中高端8英寸碳化硅衬底产品市占率遥遥领先,企业已实现8英寸导电型碳化硅衬底的稳定规模化量产,同时启动12英寸高端产品的研发迭代,持续巩固国产碳化硅衬底的全球竞争优势。

在半导体设备配套领域,国内企业持续完善碳化硅产业链布局。晶盛机电调整大额募集资金用途,聚焦半导体装备零部件与碳化硅配套产品产业化,重点布局高端半导体设备碳化硅零部件项目,量产碳化硅外延炉腔体、硅外延炉基座、刻蚀环等核心配套产品,全面适配半导体产业与AI算力产业链的配套需求,补齐国产高端设备零部件短板。

从市场发展空间来看,全球数据中心电源市场保持高速增长,碳化硅、氮化镓等第三代半导体器件在高端服务器电源中的渗透率持续提升,替代传统器件的趋势明确。碳化硅基板、中介层产品因导热性能优异、热膨胀系数与芯片高度匹配,先进封装散热落地路径清晰,随着技术不断成熟、生产成本持续优化,未来将在高端AI芯片散热领域实现大规模应用。

下游旺盛的算力散热与功率器件需求,带动全球碳化硅产业链持续扩产,海外头部半导体厂商已多次上调碳化硅衬底产品价格,国内产业链企业同步跟进扩产,行业景气度持续上行。

小结

AI算力产业的高速迭代,推动行业散热需求从传统的设备系统级散热,升级为核心芯片的材料级散热,金刚石与碳化硅两大高性能材料,成为破解高功率算力芯片散热难题的关键抓手。其中,金刚石凭借极致的导热性能,牢牢占据高端GPU、精密光电器件超高导热散热赛道,具备不可替代的产业价值,国内龙头企业已开启大额产能建设,加速产业化落地;碳化硅产业则受益于功率器件国产化替代与算力散热需求扩容双重红利,国产衬底产品在核心赛道实现全球领先,设备配套产业链加速完善,国产高端散热材料正式迈入算力驱动的全新增长周期。

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