钻石：终极半导体与散热革命，开启AI与高科技新时代的钥匙

发布时间：2024-12-13 15:50:12 | 浏览量： 33次

钻石：“终极”半导体材料，“六边形战士




随着半导体遵循着摩尔定律纳米制程进步、TDP（热设计功耗）上升，芯片热流密度变得越来越高，散热革命成为AI、HPC时代最大挑战。当芯片表面温度达到70-80℃时，温度每增加1℃，芯片可靠性就会下降10%；设备故障超过55%与过热直接相关。金刚石是已知热导率最高的材料，热导率达硅（Si）13倍、碳化硅（Sic）4倍，铜和银4-5倍，并具有超宽禁带半导体优异特质，被视为“第四代半导体”或“半导体终极材料”。与SiC相比，钻石芯片成本可便宜30%，所需材料面积仅为SiC芯片1/50，减少3倍能量损耗，并将芯片体积缩小4倍。

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，单晶金刚石和多晶金刚石材料优势更为显著。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。



高算力时代“终极”方案，打开AI潜力的钥匙

钻石散热方案在高效能电子产品应用潜力广阔，未来每台电脑、汽车和手机都有望装上钻石。半导体领域，“钻石冷却”技术可让GPU、CPU计算能力提升3倍，温度降低60%，能耗降低40%，为数据中心节省数百万美元的冷却成本。新能源汽车领域，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6倍，性能更卓越。太空卫星领域，数据速率提升5-10倍，尺寸减小50%，并在严酷的太空环境中表现更稳定。无人机领域，无人机仅需1分钟就能充满电，金刚石吸收产生高密度激光束，解决续航问题。基于独特物理特性，钻石还在量子计算、核处理等方面打开应用潜力。

产业化开启“从0到1”阶段，国内培育钻石产业链大放异彩

钻石散热产业链开启“从0到1”临界点，全球各项应用加速落地。美国Akash Systems公司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；英伟达率先采用钻石散热GPU实验，性能是普通芯片的三倍；华为接连公布钻石散热专利，坚定入局，未来有望在高性能计算、5G通信、人工智能等领域广泛应用。我们测算钻石散热市场规模有望由2025年0.5亿美元（渗透率不足0.1%）增长至152亿美元（渗透率约10%），复合增速214%，市场前景可观。我国人造钻石产业链具备绝对成本优势，人造金刚石产量占全球总产量的90%以上。国内培育钻石企业积极布局“钻石散热”技术，并在半导体衬底、热沉等方面取得突破。

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