2024年钻石散热专题报告：高算力时代的终极方案，打开AI潜力的钥匙

1、 钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士

1.1、 散热革命成为 AI、HPC 时代的最大挑战

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：据《C a b o n t e c h Ma g a z i n e》，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。

英伟达 Blackwell 处理器面临的热挑战。2024 年 11 月 18 日，《The Information》 报道称，英伟达新一代Blackwell处理器在高容量服务器机架中存在严重的过热问题， 导致设计调整和项目延期，引发了谷歌、Meta 和微软等主要客户的担忧。Blackwell GPU 专为人工智能（AI）和高性能计算（HPC）设计，配备 72 颗处理器的服务器中， 过热限制了性能，并可能损坏硬件。每个机架的功耗高达 120 千瓦，给散热带来了 巨大挑战，迫使英伟达多次重新评估服务器机架设计，以确保 GPU 性能和组件的稳 定性。除了 GPU 和服务器机架的过热问题，英伟达还曾遇到 HBM 内存的过热问题。 三星的 HBM3 和 HBM3E 内存面临过热和功耗问题，未能通过英伟达的测试，过热 问题直到几个月后才解决。

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。

1.2、 钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士”

半导体材料发展演变之路：从“沙子”到“钻石”。自 20 世纪 50 年代以来，半 导体行业经历了多个技术阶段，从第一代半导体材料硅（Si），逐步向第三代半导体 金刚石（又称“第四代半导体”）、碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)等演化。 第一代半导体材料（1950s-至今）：自 1959 年硅晶片问世以来，硅和锗（Ge） 成为了半导体材料的主力，广泛应用于集成电路和电子器件中。尽管硅材料为半导 体技术的发展做出了巨大贡献，但其物理特性（如较低的带隙）限制了其在高频和 高功率领域的应用。 第二代半导体材料（20 世纪末）：随着技术需求的升级，第二代半导体材料开始 出现，代表材料包括砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。这些材料具备较高的电子迁 移率和更宽的带隙，使得其在高频、高速和光电应用中具有优势。然而，GaAs 和 InP 的高成本和毒性问题限制了它们的广泛应用。 第三代半导体材料（21 世纪初至今）：进入 21 世纪后，半导体行业的研究焦点 逐渐转向了第三代宽禁带半导体材料，这些材料具有更宽的带隙、更高的热导率和 更强的抗电压击穿能力，以金刚石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为主第三代半导体 材料成为热点。 尽管部分分类中金刚石属于第三代半导体，但拥有比第三代半导体材料更卓越 的特性，包括更宽的禁带宽度（5.5 eV）以及更卓越的电学和热学性能，因此又被视 为“第四代半导体”、“超宽禁带半导体”或“终极半导体材料”。

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”。 1. 导热性：金刚石的热导率是已知最高的材料之一，达到 2000 W/m·K，是硅（Si）、 碳化硅（Sic）和砷化镓（GaAs）的 13 倍、4 倍和 43 倍，铜和银 4-5 倍。在热导率 要求为 10~200 W/(m·K)之间时，金刚石是唯一可选的热沉材料。作为芯片基板时， 金刚石也能更有效地将热量从处理器中带走，让器件拥有更高的性能，并实现轻量 化和小型化。 2. 禁带宽度与击穿电场：金刚石的禁带宽度达到 5.47 eV，其击穿电场强度为 10^9V/m，是砷化镓的 17 倍、氮化镓的 2 倍、碳化硅的 2.5 倍。宽禁带特性使金刚 石在高温、高压、高频等极端环境下具有优异的耐电强度，能够承受更高的电压， 广泛应用于高压电力设备、射频器件等高性能领域。 3. 载流子迁移率：金刚石具有极高的载流子迁移率，电子迁移率为 4500 cm²/V·s， 空穴迁移率为 3800 cm²/V·s，显著优于硅、砷化镓和氮化镓等常见半导体材料。其强 大的共价键和稳定的晶格结构，使电子在金刚石中能够以极高的速度运动，大幅降 低电阻和损耗，提升高频电子器件的性能，适用于高频通信、雷达系统等需要高速 信号处理的应用。 4. 绝缘性：金刚石具有宽广的能带间隙，具备出色的绝缘性能，能够有效防止 电子跃迁，保证设备在高压、高温等极端环境下的稳定工作。作为一种优秀的绝缘 体，金刚石能够使器件在较低温度下以更高功率运行，实现了更高的热效率，成为 理想的高效半导体材料。

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。Akash Systems 推出的 GaN-on-diamond 射频功率放大器，相较于 GaN-on-Sic， 采用 GaN-on-diamond 制程的晶体管温度降低了 30 多度。

2、 钻石散热：高算力时代的“终极”方案，打开 AI 潜力的钥 匙

钻石基于独特电学和热导的优势，散热前景非常广阔。钻石散热方案有望在高 效能电子产品、量子计算中发挥重要作用，未来每台电脑、汽车和手机都有望装上 钻石。

2.1、 AI、HPC：钻石芯片性能提升三倍，温度降低 60%

钻石散热技术可让 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，钻石冷却技术被 视为有效的解决方案。钻石基板具有超高的热导性，可以大幅提升芯片散热效果。 根据 DF 公司描述，钻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。Akash Systems 提出的“钻石冷却 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%。

英伟达率先采用钻石散热 GPU 进行测试实验，性能是普通芯片的三倍。据 Diamond Foundry 官网，图中显示英伟达钻石散热 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。

2.2、 电动汽车：钻石纳米膜，将电动汽车充电速度提升五倍

超薄钻石纳米膜助力电动汽车充电速度提升 5 倍，热负荷降低 10 倍。2024 年 3 月，弗劳恩霍夫研究所的工程师开发了一种超薄钻石纳米膜，用于冷却电子元件， 从而显著提升电动汽车的充电速度。钻石因其卓越的导热性和电绝缘性，可以替代 传统散热器中的中间层。该钻石纳米膜仅 1 微米厚，能够轻松粘合到电子元件上。 研究人员估计，钻石纳米膜可以将电子元件的热负荷降低 10 倍，这当然会提高这些 元件和整个设备的能源效率和使用寿命。研究小组表示，如果将这种薄膜整合到充 电系统中，可以将电动汽车的充电速度提高五倍。由于金刚石纳米膜可以在硅晶片 上制造，因此其生产过程具有较强的规模化潜力，适合工业应用。该团队已为该技 术申请了专利，并计划未来在电动汽车和电信领域的逆变器及变压器上进行测试。

基于钻石技术的逆变器体积小六倍，性能更卓越。在电动汽车领域，逆变器是 关键组件之一。目前，特斯拉的 Model 3 逆变器被认为是业界最小型的逆变器。然 而，基于钻石晶圆的卓越导热性和电绝缘性，创新的逆变器架构能够显著提升小型 化、效率和稳定性。据 DF 公司称，他们所开发的新型逆变器比特斯拉 Model 3 的逆 变器小了六倍，同时在性能和效率上也有所超越。DF Perseus 原型的第一批样品已在 主要汽车 OEM 实验室中成功测试。

Orbray 与丰田旗下车载半导体研发企业 Mirise Technologies 签订协议，共同 研发钻金刚石功率半导体。日本 Orbray 宣布与丰田旗下的 Mirise Technologies 签订 三年合作协议，共同研发基于金刚石的功率半导体，专为电动车需求而设计。根据 协议，Orbray 将负责开发 P 型导电性金刚石晶圆基板，而 Mirise 将专注于功率元 件中的持续耐电压结构。作为合作的一部分，Orbray 将投资 100 亿日元（约 5 亿 元人民币）建设新的工厂，生产金刚石晶圆基板等电动汽车零部件。此外，Diamfab 公司也致力于推广金刚石在电动汽车中的应用，近期为电动汽车研发了全金刚石电 容器，并预计在未来十年所有电动汽车都会出现钻石。

2.3、 太空卫星：增强通讯速度，数据速率提高 5-10 倍

钻石冷却增强太空卫星通讯速度，数据速率提高 5-10 倍。Akash Systems 通过 钻石冷却卫星无线电彻底改变了卫星通信技术，在卫星无线电和功率放大器的生产 中发挥关键作用，带来以下优势：数据速率提升 5 到 10 倍，显著增强卫星通信速度； 可靠性提升，可在严酷的太空环境中保持稳定表现；尺寸减小 50%，降低了成本并 提升了部署的灵活性。印度太空科技初创公司 Pixxel 的联合创始人兼 CEO Awais Ahmed 称，将 Akash 的 GaN-on-Diamond 无线电集成到自家卫星中是一次革命性 进展，金刚石冷却技术能够确保即使在恶劣的太空条件下，卫星有效载荷也能保持 最佳性能。这一技术突破有望提供前所未有的高分辨率、高光谱图像。此外，日本 佐贺大学于 2023 年 12 月宣布，将金刚石半导体技术应用于太空通信的微波传输领 域，进一步推动了这一技术在航天领域的应用。

2.4、 无人机：解决无人机续航问题，无需大电池也能飞行

人造钻石解决无人机续航问题，无需大电池也能飞行。2018 年 11 月，瑞士公司 LakeDiamond 利用自制的人造钻石和激光发生器相结合，成功实现了无人机的远程 无线充电。通过激光激发钻石，产生的光束能够在远距离内保持高质量的照射效果。 该技术使得电源地面供电网络增强，避免了无人机携带大电池所带来的能量浪费， 从而实现更远的飞行距离。如果激光充电技术按此效果运行，无人机将在不依赖重 型电池的情况下飞行数百英里。LakeDiamond 表示，一架手掌大小、耗电 2 到 3 瓦、 飞行时间为 30 分钟的无人机，仅需 1 分钟就能充满电。

2.5、 量子计算、核处理等领域应用潜力突出

除了半导体和电动汽车外，钻石散热还在量子计算、核处理等方面打开应用潜 力。

1、量子计算：金刚石正在成为量子信息设备的核心材料。金刚石的独特物理特 性，尤其是其氮-空位（NV）色心，使其成为量子比特的理想载体。NV 色心包含六 个电子，其中两个来自氮原子，三个来自与空位相邻的碳原子，剩余的一个则是来 自施主杂质的俘获电子。NV 色心的电子自旋状态可以表示量子比特的 0 和 1，具有 卓越的量子相干性和稳定性。通过金刚石的特殊结构，科学家们实现了量子互联的 突破，显著提高了数据传输速率和安全性。金刚石在量子计算、量子通信和量子精 密测量等领域发挥关键作用。此外，印度也看到了量子计算领域的重要性，并计划 投资 42 亿卢比建立“国家培育钻石中心”，旨在通过培育钻石的生产和设备技术开 发，推动量子计算领域的研究。

2、核处理：金刚石具有强大抗辐射能力，助力核废料清除。由北海道大学和国 立产业技术综合研究所（AIST）孵化的初创公司 Ookuma Diamond Device，正在福 岛县大隈市建设一座大型量产工厂。该工厂预计将在 2026 财年（2026 年 4 月至 2027 年 3 月）投入使用，专门为福岛第一核电站的核废料清除提供设备。这些核废料源 自 2011 年福岛核泄漏事故中反应堆结构和核燃料熔化产生的高放射性物质，只有具 有强大抗辐射能力的金刚石半导体设备才能有效处理这些危险废料。

3、 产业化进入“从 0 到 1”阶段，培育钻石产业链大放异彩

3.1、 全球加速钻石散热应用落地，产业化进入“从 0 到 1”阶段

3.1.1、 钻石散热产业化曾受到技术、成本双重挑战

金刚石芯片产业化曾受制于技术、成本两方面的挑战： （1）并非所有类型的金刚石都适合用于制造芯片。金刚石分为不同的等级，如 量子级、电子级、光学级、热学级和力学级，主要依据位错密度和含氮量等参数来 区分。用于芯片的金刚石必须达到电子级以上的纯度要求，这对材料的选择和提纯 工艺提出了较高的要求。 （2）金刚石芯片的掺杂技术仍存在瓶颈。纯净的金刚石本身是绝缘体，必须通 过掺杂来实现半导体性质。尽管 p 型掺杂技术已经相对成熟，主要采用硼（B）作为 掺杂元素，但 n 型掺杂仍是难以突破的产业化难题。由于 n 型掺杂元素在金刚石中 的电离能较高，且合适的施主元素尚未找到，这使得 n 型掺杂的技术进展缓慢，阻 碍了金刚石芯片的进一步发展。（3）在成本方面，人造金刚石的价格依然高昂，成为制约金刚石芯片产业化面 临的主要难题。相比之下，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的价格虽然高于硅材料， 但在大规模应用中能够通过提升效率来弥补其材料成本的差距。然而，金刚石芯片 的材料成本几乎是硅的 10000 倍，导致其成本高于现有的半导体材料，这使得金刚 石芯片在产业应用中面临较大挑战。

3.1.2、 应用落地加速，获美国芯片法案支持，华为坚定入局

Akash Systems 已获得美国芯片法案支持，体现了对钻石散热前景的充分认可。 2024 年 11 月，Akash Systems 公司与美国商务部，签署了一份不具约束力的初步条 款备忘录（PMT），根据《芯片与科学法案》提供 1820 万美元的直接资助和 5000 万美元的联邦和州税收抵免。Akash Systems 钻石冷却技术将 GPU 温度降低 20 度， 超频潜力提升 25%，并计划生产人造钻石晶圆。CHIPS 法案为美国半导体行业大规 模投资，小公司和初创公司常不在资助名单上，体现了对钻石散热前景的充分认可。 全球首款碳-14 钻石电池有望供电数年，全球产业应用落地加速。2024 年 12 月 4 日，据英国布里斯托大学官网，该校和英国原子能管理局的研究团队研制出全球首 款碳-14 钻石电池，这款电池有望为设备供电数年。碳-14 钻石电池的工作原理十分 巧妙。它利用半衰期为 5700 年的碳-14 的放射性衰变，来产生低水平的能量，从钻 石结构中捕获快速移动的电子。团队表示，钻石电池不仅安全可靠，而且可持续提 供微瓦级电力。未来应用领域包括医疗设备（眼部植入物、助听器和起搏器等，最 大限度地减少更换电池的频率）、太空和地球上的极端环境中。

华为接连申请公布“钻石散热”相关专利，坚定入局。2024 年 12 月，华为申 请公布使用金刚石散热层的半导体器件专利。在本申请的半导体器件中，钝化层位 于第一外延层和金刚石散热层之间，钝化层朝向金刚石散热层的一侧表面设置有凹 槽，该结构不仅可以增加金刚石散热层与钝化层的接触面积，从而增加金刚石散热 层与钝化层之间的结合力，并且还可以减小栅极与金刚石散热层之间沿半导体器件 的厚度方向的热扩散距离，大幅提高半导体器件的散热效率。2023 年 10 月，华为与 哈尔滨工业大学联合申请公布一项专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混 合键合方法》。通过采用混合键合方法，可以实现硅和金刚石的高效集成，将芯片产 生的热量快速地导出，并减少热阻，从而提高芯片的散热效率，提高芯片的性能和 可靠性。我们认为，华为布局钻石散热相关技术，体现了对技术产业潜力的充分认 可，并有望在未来的高性能计算、5G 通信、人工智能等领域有着广泛的应用。

3.1.3、 化合积电：钻石散热已实现规模化生产，产业化进入“从 0 到 1”阶段

化合积电：专注于金刚石半导体材料的公司。化合积电（厦门）半导体科技有 限公司成立于 2020 年，主要产品包括多晶金刚石（晶圆级金刚石、金刚石热沉片、 金刚石窗口片、金刚石基异质集成复合衬底）、单晶金刚石（热学级、光学级、电子 级）、GaN on Diamond、Diamond on GaN、硅基氮化铝、蓝宝石基氮化铝、金刚石基 氮化铝等，广泛应用于航空航天、电力电子、光通讯、新能源光伏、新能源汽车、 传感器、Al、IGBT 等领域。公司在厦门和首尔设有两大研发中心，研发基地近 1000 平方米，配备全球领先的设备，并与中国集美大学和韩国亚洲大学进行国际技术合 作，已建立独立的知识产权体系，目前累计申请 20 多项专利。2024 年 3 月，化合积 电获得贺利氏集团的战略投资，用于大尺寸多晶金刚石量产线建设及新产品研发。 此外，化合积电还申请了名为“金刚石/单晶硅复合立体基板、其制备方法与应用” 的专利，旨在改善 GPU 等高发热率器件的散热性能，提升运算性能与寿命，并降低 单位算力成本。目前，化合积电未上市，国内上市公司光莆股份有持股。

化合积电的金刚石等核心产品已实现批量化生产，公司在厦门建设了超过 3000 平方米的生产基地，掌握了大尺寸、低成本、高质量金刚石和氮化铝相关产品的制 备与加工核心工艺，持续扩展生产规模，产能迅速提升。据公司官网，化合积电是 国内首家实现 MPCVD 技术规模化量产多晶金刚石的厂家，主要生产设备包括 MPCVD、PVD、MOCVD 等。目前，公司已经拥有一系列成熟产品，如金刚石热沉 片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等，金刚石热沉片的热 导率为 100-220W/(m)，晶圆级金刚石的表面粗糙度 Ra<1nm。这些产品已广泛应用 于航空航天、高功率半导体激光器、光通信、芯片散热和核聚变等领域。我们认为， 化合积电具备较为完整的金刚石半导体材料解决方案，并能够实现规模化生产和批 量供应，标志着钻石散热产业链“从 0 到 1”逐步走向成熟。

3.2、 我们测算未来钻石散热市场空间约 152 亿美元，开启新一代散热革 命

我们测算 2025 年钻石散热市场规模 0.5 亿美元，2030 年增长至 152.4 亿美元， 复合增速 214%，主要行业包括数据中心、电动汽车、太空卫星、无人机以及未来人 形机器人。此外，钻石散热在芯片基板、量子计算等领域拥有突出潜力。我们的具 体测算如下： （1）我们预计钻石散热在数据中心市场规模由 2025 年的 0.2 亿美元（渗透率 0.1%），增长至 2030 年的 48 亿美元（渗透率 12%），年复合增速 202%。数据中心 运算量大，散热需求比较靠前，我们对钻石散热在数据中心领域的市场测算分析如 下： 2023 年全球数据中心 343 万座，建造规模 2600 亿美元。据 Fortune Business Insights数据，2023年全球数据中心数量为343 万，预计到2027 年增长到约360 万， 2023-2027 年复合增长率约为 1.2%。从建造规模看，2023 年全球数据中心建造市场 2599.7 亿美元，预计 2028 年增长至 3482.3 亿美元，2023-2028 年复合增速为 7.6%。

在数据中心的建造成本中，冷却系统（热管理）占比 15%-20%，随着算力的发 展，冷却系统的价值量还有望持续提升。温控系统的能耗占数据中心非 IT 能耗的80%， 是其运营成本中的主要组成部分。随着双碳目标的推进，PUE（电能使用效率）的 要求逐步趋严。 钻石散热技术有望实现 PUE 目标，Akash Systems“钻石冷却”技术提升 GPU、 CPU 的计算能力 3 倍，降低温度 60%，减少能耗 40%，为数据中心节省数百万美 元的冷却成本，基于性能及成本的卓越优势，渗透率有望逐步提升。

2024 年全球数据中心热管理市场规模 166 亿美元，液冷技术渗透率约 17%。根 据 R&M 数据，2024 年全球数据中心热管理市场规模为 165.6 亿美元，到 2029 年预 计将增长至 345.1 亿美元，2024-2029 年 CAGR 为 15.8%。从技术渗透率来看，Omdia 预计 2023 年数据中心风冷和液冷市场规模为 76.7 亿美元，其中液冷的渗透率约为 17%。 散热技术越来越贴近核心发热源，从房间级、机柜级、服务器级向芯片级演进。 作为新型热管理方案，我们认为钻石散热技术能够从根本上解决热量问题，降低能 耗、提升性能，并有效减少全生命周期的散热成本。与传统的液冷和风冷系统相比， 钻石散热兼容两种，具有显著的优势。

我们预计钻石散热在数据中心市场规模由2025年的0.2亿美元（渗透率0.1%）， 增长至 2030 年的 48 亿美元（渗透率 12%）。钻石散热作为下一代散热技术，一旦成 熟有望大规模铺开。根据前文对全球数据中心数量、建造规模及热管理市场规模的 预计，结合我们对钻石散热在全球数据中心热管理市场渗透率，由 2025 年 0.1%提升 至 2030 年 12%，我们预计钻石散热在数据中心市场规模由 2025 年的 0.2 亿美元，增 长至 2030 年的 48 亿美元。

（2）新能源汽车：我们预计钻石散热在新能源市场规模由 2025 年的 0.1 亿美 元（渗透率 0.05%），增长至 2030 年的 52 亿美元（渗透率 10%），年复合增速 241%。 钻石芯片凭借卓越的热导性，新能源汽车热管理应用前景广阔。电动汽车需要 散热以有效管理电池、逆变器和功率电子器件等关键部件产生的热量，确保系统高 效运行和延长使用寿命。据乘联分会，2024 年 1-10 月份世界汽车销量达到 7421 万 台，新能源汽车达到 1407 万台，全年销量有望超 1600 万台，新能源车渗透率达到 19%，预计2030 年全球新能源汽车渗透率预计达到 50%左右。钻石芯片凭借其卓越 的热导性，可广泛应用于新能源汽车的逆变器、电池管理系统（BMS）、功率电子器 件和充电系统等热管理领域，提升散热效率并确保系统稳定性。据弗劳恩霍夫研究 所，超薄钻石纳米膜助力电动汽车充电速度提升 5 倍，热负荷降低 10 倍。基于钻石 技术的逆变器体积小六倍，性能更卓越。

新能源汽车热管理 ASP 量显著高于传统燃油车，约为 7000 元左右。据华经产 业研究院，由于新能源汽车热管理系统较传统汽车新增冷却板、电池冷却器、电子 水泵、电子膨胀阀、 PTC 加热器或热泵系统等，传统汽车热管理核心组件单车价值 量约为 2,300 元，新能源汽车提升热管理单车价值量至 7000 元左右，新能源汽车热 管理系统单车价值量约是传统燃油车的 3 倍左右。

我们预计钻石散热在新能源市场规模由 2025 年的 0.1 亿美元（渗透率 0.05%）， 增长至 2030 年的 52 亿美元（渗透率 10%）。根据前文全球新能源汽车渗透率及热管 理 ASP 的预计，结合我们对钻石散热在新能源汽车市场渗透率，由 2025 年 0.05%提 升至 2030 年 10%，我们预计钻石散热在新能源汽车市场规模由 2025 年的 0.11 亿美 元，增长至 2030 年的 52 亿美元。

（3）消费电子：我们预计钻石散热在消费电子市场规模由 2025 年的 0.16 亿美 元（渗透率 0.05%），增长至 2030 年的 38 亿美元（渗透率 10%），年复合增速 197%。 AI 技术推动消费电子散热需求的增长。随着 AI 技术的加入，消费电子的算力 需求不断增加，相应的散热需求也显著提升。2023 年，全球智能手机出货量达到了 11.7 亿台，平板电脑为 1.3 亿台，电脑出货量为 2.5 亿台。根据 Counterpoint Research 的数据显示，预计到 2027 年，AI 手机的市场占比将达到 43%。目前，PC 散热器的 价值约为 100-200 元（包括 VC+风扇），高于早期 PC 散热器的价值（约 30-60 元， 热管+风扇）。我们认为，随着 AI 带来热功耗的增加，散热面积的扩大，消费电子散 热器 ASP 仍有望继续增长。

我们预计钻石散热在消费电子市场规模由2025年的0.16亿美元（渗透率0.05%）， 增长至 2030 年的 38 亿美元（渗透率 10%）。根据前文全球消费电子出货量及热管理 ASP 的预计，按照未来消费电子销量 CAGR 3%，结合我们对钻石散热在消费电子市 场渗透率，由 2025 年 0.05%提升至 2030 年 10%，我们预计钻石散热在消费电子市 场规模由 2025 年的 0.16 亿美元，增长至 2030 年的 38 亿美元。

（4）卫星通讯：我们预计钻石散热在卫星通信市场规模由 2025 年的 0.02 亿美 元（渗透率 0.05%），增长至 2030 年的 11 亿美元（渗透率 10%），年复合增速 265%。 2024 年全球卫星通信设备市场规模为 379.4 亿美元。卫星通信设备的应用领域 广泛，涵盖了军事、航空、航天、海洋、交通、能源和通信等多个行业。据贝哲斯 咨询的数据，2024 年全球卫星通信（SATCOM）设备市场的规模预计为 379.4 亿美 元，并预计到 2029 年将增长至 918.8 亿美元。 钻石散热技术在卫星通信领域展现出显著优势。Akash Systems 通过钻石冷却技 术，彻底改变了卫星无线电的散热方式，实现了数据速率提升了 5 到 10 倍、增强了 卫星设备的可靠性、尺寸缩了 50%，有望为卫星提供前所未有的高分辨率和高光谱 图像。基于钻石散热的优异特性，我们认为未来该技术有望在卫星通信领域的渗透 率持续提升。

我们预计钻石散热在卫星通信市场规模由2025年的0.02亿美元（渗透率0.05%）， 增长至 2030 年的 11 亿美元（渗透率 10%），年复合增速 265%。根据全球全球卫星 通信设备市场规模及预计，参考数据中心热管理比例，结合我们对钻石散热在全球 卫星通讯市场渗透率，由 2025 年 0.05%提升至 2030 年 10%，我们预计钻石散热在 消费电子市场规模由 2025 年的 0.02 亿美元，增长至 2030 年的 11 亿美元。

（5）无人机：我们预计钻石散热在无人机市场规模由 2025 年的 0.01 亿美元（渗 透率 0.1%），增长至 2030 年的 2.6 亿美元（渗透率 10%），年复合增速 184% 2024 年全球无人机动力系统市场规模 61.7 亿美元。据 Mordor Intelligence 数据， 2024 年无人机动力系统市场预计将在 61.7 亿美元，预计 2029 年增至 81.9 亿美元， 2024-2029 年复合年增长率为 5.8%。无人机动力系统续航能力提升一直在业界关注 焦点。金刚石是极好的热导体并且对光透明，可以吸收产生大量热量的高密度激光 束，无人机仅需 1 分钟就能充满电，解决续航问题。

我们预计钻石散热在无人机市场规模由 2025 年的 0.01 亿美元（渗透率 0.1%）， 增长至 2030 年的 2.6 亿美元（渗透率 10%），年复合增速 184%。参考 R&M 对无人 机动力系统市场的预计，结合热管理系统占数据中心投入 20%左右，考虑到钻石技 术有望解决无人机核心的续航问题，技术成熟后有望大规模使用，热管理比重在无 人机中比例有望提升。结合我们对钻石散热在无人机市场渗透率，由 2025 年 0.1% 提升至 2030 年 10%，我们预计钻石散热在无人机市场规模由 2025 年的 0.01 亿美元， 增长至 2030 年的 2.6 亿美元。

（6）人形机器人：我们预计钻石散热在人形机器人市场规模由 2025 年的 3 万 美元，增长至 2030 年 1 亿美元，年复合增速 425% 人形机器人由于其复杂的结构、强大的计算能力和高密度的传感及执行系统， 对散热提出了更高的要求。特别是在高性能计算和高功率消耗的组件中，散热的效 果直接影响机器人的效率和可靠性。由于其复杂的结构和高功率需求，人形机器人 多个关键部件如中央处理单元（CPU）、电池管理系统、AI 处理单元和通讯模块等都 会产生大量热量。钻石散热技术凭借其卓越的热导性，能够有效将这些组件产生的 热量导出，确保机器人在高负荷、高计算量的运行环境中保持稳定性能，防止过热 导致系统不稳定。特别是在高功率计算、精密运动控制和长时间工作的需求下，钻 石散热提供了高效的热管理解决方案，提升机器人的运行效率、可靠性和寿命。

我们预计钻石散热在人形机器人市场规模 2030 年约 1 亿美元。相对于新能源汽 车，人形机器人对续航有着更高的要求，钻石散热不仅有助于提高续航，对于性能 提升也十分关键。参考新能源车热管理 ASP 7000 元人民币，我们预计人形机器人热 管理价值量与车相近，ASP 约 7000 元人民币，参考人形机器人量产后售价 2 万美金， 热管理约占人形机器人成本 5%。据特斯拉预计 2025 年 Optimus 人形机器人将超过 1000 个，结合 GGII 预测 2030 年全球人形机器人市场规模 200 亿美元，按照 2 万美 金一台计算，则 2030 年人形机器人销量预计为 100 万台。我们按照 2025-2030 年全 球人形机器人销量分别为 0.1/5/10/30/60/100 万台测算，结合我们对钻石散热在人形 机器人市场渗透率，我们预计钻石散热在人形机器人市场规模 2030 年约 1 亿美元（渗 透率 10%）。尽管这一数值相对较小，但考虑到人形机器人的应用前景，人形机器人 钻石散热市场有望随量产指数级增长。

综合以上分析，我们测算 2025 年钻石散热市场规模 0.5 亿美元（渗透率不足 0.1%），2030 年增长至 152.4 亿美元（渗透率 10.6%），复合增速 214%。随着高功 率处理能力的需求急剧增加，越来越多的设备需要处理和管理更高的功率负荷和能 量密度。钻石散热具有从源头解决散热问题、提升运算速度、节省能源和运营成本、 兼容风冷和液冷技术等诸多优势，成为新一代散热解决方案。我们认为随着钻石散 热产业链逐步成熟，渗透率有望呈现非线性增长。按渗透率 5%/10.6%/15%测算， 钻石散热市场空间分别为 72/152/217 亿美元。

3.3、 培育钻石产业链有望大放异彩

3.3.1、 中国人造钻石产能全球第一，极致成本优势助力金刚石散热产业化

中国人造钻石产能全球第一，极致成本优势助力金刚石散热产业化。2020 年， 我国人造金刚石的产量突破 200 亿克拉，占全球总产量的 90%以上。其上游专用制 造设备中的六面顶压机几乎全部由我国生产，专用 MPCVD 设备的全球市场份额约 为 50%；立方氮化硼的产量约为 6 亿克拉，占全球产量的 75%；大尺寸人造金刚石单晶的产量超过 1500 万克拉，全球占比接近 50%；复合超硬材料的全球份额也超过 50%。在下游应用方面，金刚石线锯的市场份额达到 95%以上，石材和陶瓷领域使 用的金刚石切磨抛制品占比超过 60%。当下，金刚石散热大规模产业化一大难点在 于低成本金刚石制造方法，在我国自主研发的六面顶压机技术的加持下，国产人造 钻石的成本做到了世界最低，助力金刚石散热产业化。

美日钻石散热技术领先全球，但对中国金刚石进口依赖较大。根据超硬材料协 会数据，2019 年美国进口的金刚石中，中国占比 81%，美国进口镀衣金刚石，中国 占比 99%，美国进口进口细金刚石，中国占比 91%，美国进口粗金刚石，中国占比 50%。美国进口金刚石砂轮，中国占比 34%，美国进口金刚石节块磨轮，中国占比 32%；美国进口各种金刚石工具中，中国占比约 26%。此外，2019 年日本进口金刚 石中，55%来自中国。

培育钻石产业链包括“设备制造+毛坯生产”两大环节。 1、设备制造端主要公司：国机精工、辽宁鑫源等。培育钻石 HTHP 法（高温高 压法）的核心设备是六面顶压机，中国在该领域的技术水平居全球领先地位，但由 于设备厂商扩产意愿受限，压机的供应量相对稳定。CVD 法（化学气相沉积法）主 要采用 MPCVD 流派（日本 SEKI 技术较为先进），全球设备数量增长迅速，国产设 备技术水平也显著提升。 2、毛坯生产端主要公司：力量钻石、中兵红箭、黄河旋风、四方达、惠丰钻石、 沃尔德等。全球 HTHP 法与 CVD 法的产能比例约为 6:4，其中 HTHP 法的产能主要 集中在中国，且在生产小克拉钻石方面具备成本与效率优势；而 CVD 法的产能则较 为分散，中国、印度、美国等国都有一定份额，且在生产大钻石、彩钻和异形钻石 方面具有技术优势。

我国培育钻石生产企业积极布局培育钻石产能。从我国培育钻石主要企业产能 规划看，目前我国培育钻石产能规划最多的公司为力量钻石，2022 年规划产能超 200 万克拉。此外，国内多家培育钻石企业推进新产能项目，力量钻石、中晶公司、沃 尔德、国机精工、富耐克等公司积极布局培育钻石新增产能项目。中晶公司、沃尔 德、国机精工、富耐克等公司也纷纷扩产培育钻石生产领域。其中沃尔德计划投资 3.3 亿元，重点建设一条年产 20 万克拉的培育钻石生产线。力量钻石在 2022 年发布 的股票募投项目中，计划利用募集资金采购 1800 台六面顶压机（生产金刚石的核心 设备），投入培育钻石生产制造，旨在加快提高产量。

3.3.2、 国内培育钻石企业积极布局“钻石散热”技术，并取得突破

国内培育钻石积极布局“钻石散热”技术，在半导体衬底、薄膜及热沉方面取 得突破。国内培育钻石企业在散热领域加速布局，依托 CVD 和 HTHP 技术，广泛应 用于半导体芯片、5G 射频、AI 等高端领域的散热材料开发。力量钻石、沃尔德、国 机精工、中兵红箭、黄河旋风、惠丰钻石及四方达等公司，依托金刚石优异的特性， 在人造钻石用于半导体衬底、薄膜及热沉方面的应用取得突破。

3.4、 人造金刚石设备和技术已开始出口管制

2024 年 8 月，我国对人造金刚石设备和技术进行出口管制。2024 年 8 月 15 日， 商务部、海关总署决定对锑、超硬材料相关物项实施出口管制。超硬材料相关物项 包括:（1）六面顶压机设备；（2）六面顶压机专用关键零部件，包括铰链梁、顶锤、 合成压力大于 5 千兆帕的高压控制系统；（3）微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD) 设备；（4）金刚石窗口材料；（5）用六面顶压机合成人造金刚石单晶或立方氮化硼 单晶工艺技术；（6）用于制造已列管的六面顶压机设备的技术。超硬材料又被称为 最硬最锋利的“工业牙齿”或“材料之王”，通常是指金刚石和立方氮化硼，立方氮 化硼的硬度仅次于金刚石（硬度分别为 9.5、10）。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）