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。
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。
化合积电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。
