AI算力上游材料之人造金刚石

事件：

2025年12月：中国电子材料行业协会发布首个聚焦热沉应用的团体标准《热沉用金刚石片》，为产业规范化发展奠定基础。

2026年2月：AkashSystems宣布交付全球首批搭载金刚石散热技术的英伟达H200GPU服务器，成为行业商业化元年的标志性事件。

2026年2月：国内首条8英寸金刚石热沉片生产线（黄河旋风）正式落成，标志着国内产业化能力迈上新台阶。

美国诺斯罗普·格鲁曼公司赢得价值700万美元的合同，用于制造钻石冷却芯片，为军用雷达和通信提供更高功率、更快的速度和性能提升，该项目旨在将基于钻石的散热技术集成到下一代国防级芯片半导体中。

第一阶段已将射频（RF）芯片功率密度提升3.3倍；第二阶段计划在此基础上再提升约3倍，累计可达约10倍，用于更强的军事通信和卫星链路RF发射器。

技术路径：与斯坦福大学合作，在芯片背面的微观通道内直接生长金刚石层，从热点抽走热量——金刚石导热率是铜的5倍。

已在加州RedondoBeach微电子中心完成高功率测试，可让芯片在更高功率下持续运行而不烧穿、不降频。

一、金刚石：第四代半导体材料

金刚石是禁带宽度约5.45eV的超宽禁带半导体材料，属第四代半导体，具有高热导率（2000W/(m·K)）、高击穿场强（10MV/cm）等特性，可用于制造高功率、高频率和高温环境下工作的电子器件。

采用金刚石散热片的GPU温度可降低10℃以上，算力提升15%~22%。商业化应用方面，Akash已商用交付金刚石散热服务器，曙光数创实现金刚石铜微通道冷板规模应用，联想3C笔记本搭载钻石散热方案。英伟达新一代VeraRubin架构GPU将采用金刚石铜复合散热模组，台积电完成单晶金刚石散热材料验证。

人造金刚石，又称合成金刚石，是通过人工方法在实验室或工厂中制造出来的金刚石晶体，其物理、化学性质与天然金刚石基本一致。它属于超硬材料产业，是新材料领域的重要分支。

中国人造金刚石产量占全球市场的95%，其中80%产能来自河南。2021年至2023年，美国进口的人造金刚石微粉中77%来自中国。2025年美日达成战略同盟，日本计划投资5500亿美元在美建设合成钻石工厂；2026年2月，美国GE与日本住友宣布联合投建金刚石散热材料生产基地。英特尔投资美国钻石公司DiamondFoundry布局人造金刚石晶圆。

人造金刚石行业，特别是功能性金刚石散热领域，其商业模式正从传统的“成本+规模”驱动，转向“技术+客户”驱动。利润不再仅仅来源于大规模生产带来的成本优势，而更多地来自于技术壁垒带来的高附加值。核心驱动因素包括：

1.技术领先：掌握大尺寸、高品质CVD金刚石晶圆的生长技术，以及与金属（如铜、铝）的复合材料制备工艺。

2.客户认证：通过下游AI芯片巨头（如英伟达、华为）的严格测试和认证，进入其供应链体系，是商业化落地的关键。

3.产业链整合能力：具备从设备、材料到热管理模组的垂直整合能力，能够提供完整的解决方案，提升议价能力。

成本结构：固定成本，主要是生产设备（特别是MPCVD设备）的折旧，占比较高；可变成本，电力成本是生产过程中最主要的可变成本，其次是高纯度气体等原材料成本。

人造金刚石行业的发展可分为三个主要阶段：

第一阶段（1960s-2010s）：工业应用主导期。自1963年中国第一颗人造金刚石诞生以来，行业长期聚焦于工业磨料和切削工具，满足制造业对超硬材料的需求，并逐步实现全球产能领先。

第二阶段（2010s-2023）：消费应用爆发期。随着生产技术的成熟和成本的下降，人造金刚石开始大规模应用于培育钻石领域，作为天然钻石的替代品，渗透率快速提升，行业迎来一波消费驱动的增长周期。

第三阶段（2024年至今）：功能应用开启期。随着AI算力需求的爆发，散热问题成为行业痛点。2026年，金刚石散热方案首次在主流AI服务器上实现商业化部署，标志着行业正式进入以半导体、热管理等高附加值功能性应用为核心驱动的新发展阶段。

细分领域与产品类别：

1.工业级应用：作为“工业牙齿”，利用其超高硬度，用于切割、研磨、钻探等领域，产品形态包括金刚石微粉、复合片（PCD）、刀具、砂轮等。

2.消费级应用：即培育钻石，利用其光学特性，作为天然钻石的替代品用于珠宝首饰。

3.功能性应用：利用其优异的声、光、电、热等性能，作为功能材料应用于半导体、光学、声学等高科技领域。其在热管理领域的应用为金刚石散热片/热沉。

金刚石解决的核心痛点之一是高功率密度电子器件的散热瓶颈。随着AI、5G通信、新能源汽车等技术发展，芯片和功率器件的集成度与功率密度急剧增加，产生的巨大热量若不能及时散发，将导致器件性能下降、可靠性降低甚至烧毁。金刚石以其无与伦比的导热性能，能够从热源处高效导出热量，保障高端芯片的稳定运行，从而解锁更高的算力潜能，提升设备的使用寿命和可靠性。

算力全链功耗提升、散热材料从幕后走向台前。

1）华为韬定律采用逻辑堆叠，论文中明确“热管理是关键挑战”。#后续有望在芯片和光互连层级采用金刚石等新散热材料（华为联合哈工大公布金刚石‑硅混合键合专利）。

2）Rubin单芯片功耗已超2kw，Feynman或3D堆叠LPU，#从基板、TIM到冷板材料或将全面升级。

3）1.6T光模块功耗将超40W，普通散热凝胶难以导热。#光模块散热凝胶材质升级，热管&VC散热逐步导入。

4）CPO/NPO外置光源模组&硅光芯片工作温度敏感，需应用更高导热系数材料。

二、人造金刚石产业链应用

我国人造金刚石产业链自主可控，出口管制彰显战略地位。我国已形成“原辅料-材料-装备-制品”完整自主的产业链体系，六面顶压机和MPCVD设备等生产工具、特定粒径的金刚石微粉将实施出口管制，凸显金刚石行业的战略属性，推动行业从规模优势转向技术竞争。金刚石散热产业化受制制备成本，依托国产设备与规模优势，成本有望持续下降，加速高端应用落地。

1.上游：核心设备与原材料：上游环节主要为金刚石合成提供必要的原材料和生产设备，其技术水平和成本直接影响中游产品的质量和竞争力。

竞争格局：原材料如石墨、金属触媒等属于大宗商品，市场供应充足，竞争充分。核心壁垒在于生产设备。用于传统工业金刚石生产的六面顶压机已基本实现国产化，中国供应量巨大。而用于生产功能性金刚石的MPCVD设备是技术关键，过去由海外主导，但近年来国内企业如国机精工等已实现突破，国产设备市占率提升，有效降低了中游厂商的资本开支和生产成本。

技术趋势：MPCVD设备正向更大功率、更大生长面积（适配12英寸晶圆）、更高稳定性和均匀性方向发展。设备自主可控是我国金刚石产业从规模优势走向技术优势的关键。

产业链地位：上游设备商，特别是掌握核心MPCVD技术的企业，在产业链中拥有较强的话语权，是中游产能扩张和技术升级的前提。

2.中游：材料合成与加工：中游是产业链的核心，负责将原材料转化为各种金刚石产品。中国在该环节占据全球绝对主导地位，产量占全球90%以上。

竞争格局：行业呈现“两极分化”。在工业金刚石和培育钻石领域，产能高度集中于中南钻石（中兵红箭）、黄河旋风、力量钻石等少数龙头企业，但过去几年因产能过剩导致激烈的价格竞争。在功能性金刚石领域，竞争焦点从“规模”转向“技术”，能够稳定量产大尺寸、高品质CVD金刚石的企业（如四方达、沃尔德、国机精工等）将构筑核心壁垒，享受技术溢价。

技术趋势：从HPHT法为主转向CVD法，特别是MPCVD法成为制备半导体级和散热用金刚石的主流技术。产品形态从单一的金刚石晶圆，向更高附加值的金刚石-铜/铝/SiC复合材料、微通道散热结构等一体化解决方案演进。

产业链地位：中游企业是技术创新的主体和价值实现的核心。未来，那些不仅能生产高质量金刚石材料，还能与下游客户深度绑定，共同开发散热模组和解决方案的企业，将拥有最强的产业链地位和盈利能力。

3.下游：终端应用。下游应用是拉动整个产业链发展的最终动力。金刚石的应用正从传统领域向高科技领域快速拓展。

AI芯片散热：这是当前最具爆发力的增量市场。英伟达、AMD等巨头的旗舰产品已开始采用金刚石散热方案，用于解决GPU的高功耗问题。

高阶PCB钻针：AI服务器对PCB板材要求提升（如M9级材料），传统钨钢钻针寿命锐减，而PCD（聚晶金刚石）钻针因其超高硬度和耐磨性成为刚需，市场空间有望快速扩容。

其他高新领域：包括5G/6G射频器件、高功率激光器、航空航天、量子计算等，这些领域对材料性能要求极致，是金刚石功能化应用的长期增长点。

未来趋势：随着下游需求的明确和放量，产业链将从“技术驱动”进入“技术+需求双轮驱动”的阶段。下游客户的认证和订单将成为中游企业价值兑现的关键。

4.核心技术路线、演进趋势。人造金刚石的制备主要有两大技术路线：高温高压法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）。

技术演进趋势：

1）主流路线切换：CVD法，特别是微波等离子体CVD（MPCVD），因其能制备高质量、大尺寸、高均匀性的金刚石，已成为功能性应用领域的绝对主流技术。

2）尺寸与质量提升：技术攻关的重点在于实现更大尺寸（从6-8英寸向12英寸迈进）、更低应力、更高热导率的金刚石晶圆的稳定量产。

3）材料复合化与结构一体化：技术正从制备单一金刚石材料，向开发金刚石-金属复合材料（如金刚石铜）和异质集成（如GaN-on-Diamond）演进，以解决热膨胀系数不匹配、界面热阻高等工程应用难题。

5.行业护城河分析

功能性金刚石领域最核心的壁垒：

1）CVD生长工艺与资本开支壁垒：如何在保证高生长速率的同时，控制晶体质量、均匀性和应力，实现大尺寸晶圆的稳定量产，是各家企业的核心机密。高端MPCVD设备价格昂贵，建设一条规模化的生产线需要数亿甚至数十亿元的投资，对新进入者构成较高的资金门槛。
2）后处理技术：包括超精密研磨抛光、激光切割、表面金属化等，对最终产品性能至关重要。

3）复合材料技术：实现金刚石与金属基体的有效键合，降低界面热阻，是决定复合散热材料性能的关键。

4）市场/渠道壁垒：下游高端应用（特别是半导体领域）的客户认证周期长、标准极其严苛。一旦进入头部客户的供应链，将形成强大的先发优势和客户粘性，后来者难以替代。

5）政策/资质壁垒：金刚石作为战略性材料，其核心生产设备和高端产品已被中美两国列入出口管制清单，凸显其战略重要性。未来在军工、航天等领域的应用可能需要特定的资质认证。

三、金刚石散热有望成AI芯片端散热终极解决方案

AI算力功耗指数增长，传统散热方案面临物理极限，金刚石散热有望成终极解决方案：目前随着GPU芯片功率密度提升、芯片向2.5D/3D堆叠演进将逐步跨过传统散热材料的物理极限，局部热点处热流密度可达1000～2500W/cm2，全面超越传统风冷、铜液冷板乃至两相液冷方案上限，金刚石超高热导率将成终极解决方案。

1.金刚石导热性能远超传统金属材料：平均导热系数约2000W/(m·K)，是铜的5倍以上、铝的近10倍、石墨的3–4倍；是目前已知导热性能最好的材料，被定位为AI芯片散热的终极方案。

2.金刚石同时具备热膨胀匹配与电绝缘两大优势：可直接贴合芯片，界面热阻低，可缩短传热路径，填补最后一毫米的散热瓶颈；电绝缘特性可避免短路，且在芯片高功率下避免界面翘起、膨胀或弯曲，可靠性好。

3.与液冷形成互补，是算力架构升级的必然选择：2026年5月25日华为提出“陶定律”，将时间作为核心维度、采用堆叠技术，对散热效率提出更高要求；英伟达RubinUltra后续亦需液冷配合，金刚石被认为是2028–2029年逐步落地的最终散热解决方案；根据阿伦尼乌斯定律，芯片温度每升高10–15℃效率成倍失效，迫切需要更优散热方案。

四种金刚石散热技术路线并行，金刚石铜复合冷板最先落地

1.12寸碳化硅沉积金刚石薄膜方案：以碳化硅为过渡层沉积金刚石薄膜贴附芯片，工艺明确但成本相对较高。

2.MPCVD（微波等离子体化学气相沉积）方案：导热效率高，设备昂贵、生长速度慢、大尺寸均匀性难控制，国内目前可做到2–3英寸尺寸，仍处探索阶段。

3.金刚石单晶方案：导热效率高，但工艺难度大、成本高，规模化应用受限。

4.金刚石铜/铝复合冷板方案：在冷板中加入金刚石与铜/铝混合，类似水泥拌和后用于芯片散热，是当前最成熟、可批量应用的方案，价格相对较低；已在联想部分电脑散热中应用，导热效率低于纯金刚石但产业化最靠前。

金刚石散热指利用人造金刚石作为热管理材料，帮助高功率芯片（如AIGPU）快速传导热量的技术。采用金刚石散热的原因：

1）AI芯片越来越热：随着AI算力飙升，GPU功耗持续攀升，散热已成为芯片性能提升的最大瓶颈；

2）金刚石是”散热冠军”：金刚石热导率超过2000W/（m·K），是铜的5倍以上，是目前已知导热性能最好的材料；

3）能大幅降低界面热阻+金刚石具有电绝缘特性，可直接接触芯片而不会引发短路问题。

随着AI芯片算力暴增+华为韬定律，金刚石以其超越所有已知材料的导热性能，成为能匹配新一代算力需求的散热方案。

金刚石有四种技术方案，并且国内金刚石应用也进一步推进，2026年4月，金刚石铜复合材料在郑州超算中心实现全国首次规模化应用。同时，英伟达VeraRubin架构GPU有望采用“金刚石-铜复合热沉+45℃温水直冷”方案。

海外金刚石散热产业已形成清晰的层级格局。

1）第一梯队：ElementSix（元素六）、Coherent。海外厂商在英伟达等大厂对接上具备物理距离与文化优势，落地更快。

ElementSix拥有超60年合成金刚石研发经验，2025年推出铜金刚石复合材料。

Coherent凭借革命性键合技术与复合液冷方案确立地位，并布局碳化硅复合金刚石液冷板。

第一梯队中，ElementSix是英伟达最早认证的核心材料供应商，工艺最成熟；住友电工ALMT在GaN-on-Diamond晶圆键合技术领先，良率85%以上，深度绑定日系封装厂；Coherent凭借金刚石-SiC复合液冷板成为英伟达战略备份供应商，芯片降温效果超15℃。

2）海外第二梯队：AkashSystems、DiamondFoundry

AkashSystems为印度交付搭载DiamondCooling的英伟达H200GPU服务器，是首次金刚石散热方案实际应用。AkashSystems是交付金刚石散热英伟达整机的企业，后者布局8英寸单晶衬底并处于测试阶段。

3）国内产业进展：2026年4月，郑州超算中心首次规模化应用宁波材料所制备的金刚石铜散热模组，实现产业零到一突破。国内人造金刚石产量占全球60%–70%，降本空间在国内。

4）英伟达VeraRubin架构：计划采用金刚石铜复合界面配合45℃温水散热；同时并行推进铜打印微通道液冷等备选方案。

多元应用：钻针、声学、军工及半导体等领域持续拓展，打开成长空间。

AI算力升级驱动PCB基材向更高阶演进，采用Q布方案的M9材料使传统钨钢钻针寿命由800-1000孔骤降至200孔，推高成本与良率风险。金刚石钻针在M9材料上寿命可达万孔级别（数十倍于钨钢钻针），且孔壁质量更优，成为金刚石材料在AI算力领域的又一关键应用，在高阶PCB加工中的刚需属性持续强化。目前下游PCB企业正积极推进验证，若成功导入，市场规模有望快速扩容。除金刚石钻针外，金刚石还可应用于声学振膜、航天军工、量子技术等场景，同时也是第四代半导体的核心材料。

金刚石向AI算力领域发展的产业趋势逐渐明晰，千亿级赛道估值尚未充分兑现，后续催化下行情具备多轮演绎空间。除当前市场聚焦的金刚石散热、金刚石微钻外，还可应用于声学振膜、航天军工、量子技术等场景，同时也是第四代半导体的核心材料，远期行业市场空间超千亿级别。

1）力量钻石：专业钻石培育企业，金刚石切割及消费品类领先。同时布局HPHT与MPCVD技术路线，已投入资金开展金刚石散热研发，后续具备规模化生产能力。

2）四方达：国内金刚石超硬材料核心企业，拥有CVD金刚石布局。主导MPCVD路线，运营国内CVD金刚石规模最大的“天璇”功能性金刚石超级工厂，年产能约70万克拉。

3）国机精工：国有企业，技术源自三磨所，技术积累深厚，主营轴承与金刚石切割/砂轮，工业金刚石业务销售约5–6亿元。金刚石散热处于研发与送样阶段，规划一期产能投产，后续推进二期、三期。

4）沃尔德（嘉兴）、黄河旋风（河南），均已在金刚石散热领域开展研发与应用探索。

5）中兵红箭（旗下中南钻石）、斯邦达，布局金刚石原材料及散热材料研发，为AI产业链做准备。

6）恒盛能源（浙江，新进入者）：主营热电联产业务稳健，拟转型金刚石培育，并切入工业与散热应用。

长晶环节：国机精工、四方达、沃尔德、力量钻石、惠丰钻石、黄河旋风、中兵红箭、恒盛能源；

设备/零部件：国力电子、共达电声、英诺激光。

参考资料：

20260807-华福证券-金刚石：释放AI潜力的钥匙，价值重估的起点

20260813-国金证券-金刚石散热行业深度