【开源机械|重磅深度】钻石散热：高算力时代的终极方案，打开AI潜力的钥匙

行业深度报告

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。

钻石散热：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；国内公司化合积电已具备较为完整的金刚石半导体材料解决方案，并实现规模化生产（未上市，光莆股份有持股）。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。2024年8月，商务部、海关总署开始对人造金刚石设备和技术进行出口管制。

投资建议

我们认为，钻石散热作为下一代散热技术，在AI时代具备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。受益标的：力量钻石、黄河旋风、光莆股份、沃尔德、国机精工、四方达、中兵红箭、惠丰钻石

风险提示

钻石散热产业化不及预期；供应链发展不及预期。

正文

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Cabontech Magazine，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（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%，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）数据中心：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。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R&M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2030年约1亿美元。

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）。

4、投资建议

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。受益标的：力量钻石、黄河旋风、光莆股份、沃尔德、国机精工、四方达、中兵红箭、惠丰钻石

5、风险提示

（1）钻石散热产业化不及预期。金刚石的当前价格较高，且散热技术的大规模产业化仍面临诸多挑战，如低成本金刚石生产方法的突破、低温高质量键合技术的实现，以及三维集成兼容工艺的优化等。若相关技术进展不及预期，可能影响钻石散热技术的产业化进程。

（2）供应链发展不及预期。钻石散热技术依赖于上游高质量金刚石材料的供应。如果上游材料降本进程缓慢或无法有效扩产，将可能导致国内供应链的发展滞后，进而影响整体产业的成熟与发展。

报告发布时间：2024年12月8日

开源机械

孟鹏飞

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孟鹏飞，开源证券机械行业首席分析师，7年高端装备产业经验 5年证券从业经验。2008-2015年先后任职欧洲知名光伏设备企业和全球最大的机器人、数控企业日本FANUC。2015-2019年任职于国金证券，先后负责新兴产业高端装备研究、机械行业智能制造研究等。2019水晶球机械行业第三名团队成员；新浪金麒麟机械行业第三名。2020年-2022年任职于新时代证券研究所。2022年6月加入开源证券研究所。

熊亚威，开源证券机械行业分析师，复旦大学金融硕士。7年行研经验，曾任职于中泰证券、远川研究等机构。2022年8月加入开源证券研究所。

罗悦，开源证券机械行业分析师，南京大学经济学学士、硕士；CPA，CFA，FRM。曾任职于东吴证券，4年机械行业研究经验。2024年9月加入开源证券。

张健，开源证券机械行业分析师，上海交通大学硕士，动力工程及工程热物理专业。2年电力行业咨询经验，2年卖方研究经验，曾任职于莫尼塔咨询、德邦证券等机构。2023年4月加入开源证券研究所。

孙垲林，开源证券机械行业研究员，香港中文大学管理学硕士。2023年4月加入开源证券研究所。

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