（来源：开源证券研究所）
高算力时代背景下，芯片热流密度变得越来越高，散热革命已逐渐成为AI、HPC时代最大挑战。金刚石（钻石）基于独特电学和热导的优势，成为一种高效的散热解决方案，在高算力时代背景下具有划时代意义和产业化潜力。
随着培育钻石技术的成熟和产业化进程的加速，钻石散热技术有望在多个领域实现广泛应用，未来前景广阔。近期，开源证券机械团队发布行业深度报告《钻石散热：高算力时代的终极方案，打开AI潜力的钥匙》，带您深入探讨钻石散热的发展趋势以及广阔应用前景。
钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士
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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。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。
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。
高功耗芯片TIM散热路径示意图
资料来源：半导体行业观察
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。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”。
四代半导体材料发展演变之路
数据来源：DT新材料、开源证券研究所
金刚石（钻石）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”。
金刚石为半导体材料领域“六边形战士”，被视为“终极半导体”
资料来源：化合积电
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。
SCD、PCD作为衬底材料热导率优势明显
资料来源：DT新材料
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。
金刚石作为半导体衬底具有优异的散热性
资料来源：化合积电
钻石散热：高算力时代的“终极”方案，打开AI潜力的钥匙
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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。
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。
带金刚石VS不带金刚石GPU性能实测对比
资料来源：Akash Systems
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、 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。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。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。
独立式多晶金刚石纳米膜可将电动汽车充电速度提升5倍
资料来源：弗劳恩霍夫协会
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。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。
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。
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。
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。
量子计算：金刚石正在成为量子信息设备的核心材料。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。
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。
产业化进入“从0到1”阶段，培育钻石产业链大放异彩
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1、全球加速钻石散热应用落地，产业化进入“从0到1”阶段
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。（2）金刚石芯片的掺杂技术仍存在瓶颈。（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。
用于芯片的金刚石需要在电子级以上
资料来源：电子工程世界、开源证券研究所
金刚石芯片掺杂分别P型和N型
资料来源：电子工程世界、开源证券研究所
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。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。华为接连申请公布“钻石散热”相关专利，坚定入局。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。
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%。
2023年全球数据中心343万座
数据来源：Fortune Business Insights、开源证券研究所
2023年全球数据中心建造规模2599.7亿美元
数据来源：Fortune Business Insights、开源证券研究所
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。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。
新建数据中心成本结构中，热管理占15%-20%（2024年）
数据来源：Dgtl Infra、开源证券研究所
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。
2024年全球数据中心热管理市场规模为165.5亿美元
数据来源：R&M、开源证券研究所
数据中心散热主要以液冷及传统风冷为主，2024年液冷渗透率约17%
数据来源：Omdia
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。
数据中心钻石散热：我们预计2030年当渗透率达到12%时，市场规模为48亿美元
数据来源：Fortune Business Insights、R&M、开源证券研究所
（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。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。
2024年新能源汽车销量有望突破1600万台，渗透率达19%
资料来源：Rho Motion
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。
新能源汽车热管理系统核心产品价值量从2230 元提升至6410元左右
数据来源：华经产业研究院、开源证券研究所
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。
新能源汽车钻石散热：我们预计2030年当渗透率达到10%时，市场规模为52亿美元
数据来源：乘联分会、华经产业研究院、开源证券研究所
（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%。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%）。
消费电子钻石散热：我们预计2030年当渗透率达到10%时，市场规模为38亿美元
数据来源：Wind、Canalys、开源证券研究所
（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。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。
2024年全球卫星通信设备市场规模为379.4亿美元
资料来源：贝哲斯咨询
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%。
卫星通信钻石散热：我们预计2030年当渗透率达到10%时，市场规模为11亿美元
数据来源：贝哲斯咨询、开源证券研究所
（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。
2024年全球无人机动力系统市场规模61.7亿美元
数据来源：Mordor Intelligence、开源证券研究所
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%。
无人机钻石散热：我们预计2030年当渗透率达到10%时，市场规模2.6亿美元
数据来源：R&M、开源证券研究所
（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。
特斯拉人形机器人全景图
资料来源：特斯拉、开源证券研究所
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。
人形机器人钻石散热：我们预计2030年当渗透率达到10%时，市场规模为1亿美元
数据来源：特斯拉、GGII、华经产业研究院、开源证券研究所
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%。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。
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%
数据来源：Fortune Business Insights、R&M、乘联分会、华经产业研究院、Wind、Canalys、贝哲斯咨询、特斯拉、GGII、开源证券研究所
按照5%/10.6%/15%渗透率测算，钻石散热市场空间分别72/152/217亿美元
资料来源：Fortune Business Insights、R&M、乘联分会、华经产业研究院、Wind、Canalys、贝哲斯咨询、特斯拉、GGII、开源证券研究所
3、培育钻石产业链有望大放异彩
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。
2020年我国人造金刚石产量超200亿克拉
数据来源：观研天下、开源证券研究所
2020年全球金刚石单晶产量市占率中，中国占90%以上
数据来源：观研天下、开源证券研究所
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。
国内培育钻石产业链及生产商
资料来源：黄河旋风、中兵红箭、SEKI 等公司官网、贝恩咨询、De Beers、开源证券研究所
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。
2022年中国培育钻石主要生产企业产能规划（单位：万克拉）
数据来源：前瞻产业研究院、开源证券研究所
2022年中国培育钻石重点在建项目
数据来源：智研产业信息网、公司公告、开源证券研究所
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。
培育钻石企业纷纷布局“钻石散热”技术
资料来源：公司公告、开源证券研究所
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。
投资建议
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我们认为，钻石散热作为下一代散热技术，在AI时代具有划时代意义和产业化潜力。我国具备完整的产业链，同时对上游材料进行出口限制，产业化正处于“从0到1”阶段，开发进度毫不逊于海外。在全球高算力时代，我国有望站在科技制高点。
国内钻石散热产业链相关上市公司
数据来源：Wind、公司公告、开源证券研究所
风险提示：钻石散热产业化不及预期；供应链发展不及预期。
研报发布机构：开源证券研究所
研报首次发布时间：2024.12.8
分析师：孟鹏飞 证书编号：S0790522060001
分析师：罗 悦 证书编号：S0790524090001
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