随着人工智能技术的快速发展，AI芯片的算力需求呈现指数级增长态势。根据工信部数据，截至2023年底，我国在用数据中心机架总规模超过810万标准机架，算力总规模达到230EFLOPS。然而，AI芯片功耗的持续攀升带来了严峻的散热挑战——单颗GPU芯片功耗已突破1400W，预计2027年将达到2000W以上，热流密度超过1000W/cm²。
传统风冷散热方案已无法满足高功率密度芯片的散热需求。实验表明，当芯片温度升至70-80℃时，每再升高10℃，性能下降近50%。高温已成为制约AI应用发展的关键瓶颈，也催生了新一代散热技术的迫切需求。
金刚石作为自然界导热性能最佳的材料，在AI算力散热领域展现出独特优势：
金刚石的热导率高达2000-2200W/(m·K)，是铜的5倍、铝的8倍以上，能够快速传导芯片产生的大量热量。这种超高热导率使其能够支持超过1000W/cm²的热流密度，完美匹配700W+芯片的热管理要求。
（一）AI数据中心散热解决方案
1. GPU芯片级散热
在AI数据中心中，GPU芯片是主要发热源。通过将金刚石热沉片直接集成到GPU芯片封装中，可实现高效的芯片级散热。具体方案包括：
金刚石衬底集成：将金刚石衬底与芯片键合，缩短热传导路径，使芯片最高结温降低24.1℃，热阻减少28.5%
金刚石均热板：在芯片表面沉积金刚石薄膜作为均热层，将热量均匀分布到更大面积
微通道冷却盖板：结合金刚石衬底与微流道结构，将GaN器件结温从676℃骤降至182℃
2. 服务器级散热系统
针对AI服务器单机柜功耗从30kW向100kW跃升的趋势，金刚石热沉片可应用于：
冷板式液冷系统：将金刚石热沉片集成到冷板中，与芯片直接接触，散热效率提升3倍
浸没式液冷：在浸没式冷却液中，金刚石热沉片可进一步降低热阻，PUE可低至1.03
微泵液冷系统：采用压电微泵驱动冷却液循环，结合金刚石散热，能耗降低20%，年省电费超百万元
（二）5G/6G通信基站散热方案
5G/6G基站功放模块的热流密度已超传统材料极限，金刚石基片成为核心散热材料。应用方案包括：
功放模块热沉：采用金刚石热沉片作为功放模块的散热基板，使基站芯片温度下降30%，保障信号传输稳定性
射频器件散热：金刚石热沉片应用于高频射频开关、放大器等器件，显著提升散热效率
相控阵雷达散热：在相控阵雷达系统中，金刚石热沉片可有效解决多芯片协同工作时的散热难题
（三）高性能计算（HPC）散热方案
百亿亿次级计算机的CPU/GPU散热完全依赖金刚石材料。具体应用包括：
芯片级散热：在CPU/GPU芯片表面直接沉积金刚石薄膜，实现超低热阻散热
封装级散热：将金刚石衬底集成到2.5D/3D封装中，解决芯片堆叠带来的热堆积效应
系统级散热：结合微通道液冷技术，构建从芯片到系统的完整散热路径
金刚石热沉片凭借其超高热导率、优异的热学特性和电绝缘性能，已成为AI算力领域突破散热瓶颈的终极解决方案。随着AI芯片功耗的持续攀升和第三代半导体的普及，金刚石热未来，随着制备技术的进一步成熟和成本的持续下降，金刚石热沉片将在更广泛的领域发挥重要作用，为AI算力发展提供强有力的散热保障，推动中国在高端散热材料领域实现从追赶到领先的跨越。
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、氮掺杂)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。
