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AI芯片散热挑战现状

 

英伟达自2022年发布第一台AI服务器Hopper平台单芯片TDP热设计功耗仅为700W经过近几年高速发展随着搭载芯片越来越多服务器性能要求越高功率相应直线增长。最新发布新一代Vera Rubin架构GPU预计单芯片TDP将达到1.8-2.0kW,实际部署中芯片局部热点热流密度已达200-400W/cm²,极端负载下瞬时峰值接近600W/cm²。

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VeraRubinNVL72概述图片来自NVIDIA

单芯片功耗从千瓦级迈向两千瓦级,机柜功率密度从几十千瓦迈向数百千瓦,传统现有散热条件无法满足高性能芯片服务器发展散热需求散热方案从风冷被迫全面转向液冷,并催生了以金刚石为代表的芯片级先进散热材料的规模化应用成为新趋势英伟达表示下一代Vera Rubin架构采用“金刚石铜复合散热盖+45℃温水直液冷散热系统若Vera Rubin平台年出货80万颗,即可催生年需求约17.6吨高端金刚石材料,对应近2亿美元的新材料市场,金刚石散热材料的市场即将有望大放异彩。

02

金刚石材料——谱写散热新篇章

金刚石是目前已知热导率最高的材料,热导率达硅(Si)的13倍、碳化硅(Sic)的4倍,铜和银4-5 倍,能快速导出芯片局部热量,且热膨胀系数相匹配。金刚石作为散热材料主要通过三种形式:作为金刚石衬底/金刚石热沉片、作为金刚石填料开发先进导热材料/金刚石-铜复合材料、将金刚石材料与微通道液冷集成散热。

(1)金刚石复合材料

金刚石具有极高的热导率、低热膨胀系数,将金刚石颗粒作为填料加入热界面材料、导热凝胶、导热垫中,与传统的硅脂导热材料相比,可以显著提高材料的导热能力。金刚石-铜复合材料能够控制碳材料和铜基体复合材料的比例,弥补铜基材料在高温条件下部分性能相对较差的缺陷,得到高导热率和可调低膨胀系数的复合材料。目前铜基体与金刚石具有界面湿润性差的技术缺陷,仍需进一步突破。华为具有金刚石颗粒填料相关的专利技术,验证了其在热传导效率上的优势。双鸿科技2025OCP亚太峰会提出创新金刚石-铜液冷板技术热导率可达680-730 W/mK

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双鸿科技金刚石-复合材料液冷技术

(2)金刚石热沉

金刚石热沉片/金刚石薄膜贴合在GPU芯片背面利用超高导热性可以芯片温度降低20-30使芯片保持长时间高频运行稳定输出算力。金刚石材料同时能够作为GaN氮化镓功率器件的衬底/热沉材料,有效解决散热问题,保障器件的功率密度。华为昇腾芯片已在测试中采用金刚石热沉片,能够实现温度显著降低,散热效率大幅提升。除此之外,金刚石热沉片可以广泛应用于光通讯、航空航天、新能源汽车、5G/6G通讯基站等领域。

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金刚石热沉片图片来自

艾邦建有服务器液冷散热交流群聚焦服务器液冷技术前沿,涵盖冷板/浸没/喷淋式方案设计、材料升级(耐腐蚀管路、密封件创新)、CDU运维与能效优化、政策标准解读(PUE、OCP规范)等。欢迎大家加入我们,共绘服务器液冷散热未来!

 

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3)金刚石-微通道液冷技术集成

目前常规的硅基、金属基散热材料的热导率有限,即便引入微通道液冷结构,也难以将局部热量高效引流至换热区域,因此仍需将结构强化和材料创新相结合。将金刚石材料引入微通道液冷散热系统中,制造金刚石-微通道液冷散热结构新范式,通过材料和结构的深度协同,实现对热量的源头拦截和高速疏通,能有效解决AI服务器及芯片散热问题。金刚石的导热率大约是铜的4-5倍,能够迅速将热点热量扩散至整个微通道区域,有效降低热阻;且金刚石的热膨胀系数和半导体材料相接近,热应力小。英伟达率先硅微芯片采用金刚石散热方案芯片速度额定速度两倍

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金刚石在硅微芯片上的应用,图片来自化合积电

除此之外,金刚石散热方案在高效能电子产品、半导体、新能源汽车、航空航天、低空经济等领域具有广阔应用潜力:

 半导体领域:金刚石冷却技术可让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:超薄金刚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。基于金刚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。

03

金刚石散热全球市场新进程

 

根据开源证券预测,金刚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。我国人造金刚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。国内培育金刚石企业积极布局“钻石散热”技术,并在半导体衬底、热沉等方面取得突破。

河南四方达与中芯国际联合开发的12英寸金刚石晶圆衬底已进入试产阶段,并具备批量制备能力。黄河旋风在20262官宣量产8英寸金刚石热沉瞄准当前AI芯片以及高功率电子模块散热领域

2024年美国 Akash Systems 公司提出金刚石冷却GPU芯片技术,获得美国芯片法案支持,体现了对金刚石散热前景的充分认可;英伟达率先采用金刚石散热GPU实验,性能是普通芯片的三倍;华为接连公布金刚石散热专利,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。

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Akash SystemsGPU-on-Diamond产品

金刚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,有望站在科技制高点。

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资料来源:艾邦陶瓷展金刚石材料——AI服务器芯片散热终极解决方案

 


 

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活动推荐:
第二届 AI算力服务器液冷技术产业发展论坛(3月20日 苏州)

一、

拟邀议题

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更多议题征集中,创新演讲及赞助请联系Elaine:13418617872(同微信)

 

现场展位图:

 

感谢以下企业对此次会议的赞助和支持:

  • 远地(广州)数字科技有限公司

  • 超集信息

  • 三河同飞制冷股份有限公司

  • 中航光电科技股份有限公司

  • 浙江银轮机械股份有限公司

  • 祥博传热科技股份有限公司

  • 浙江润禾有机硅新材料有限公司

  • 杭州云酷智能科技有限公司

  • 昆山艾科迅真空装备有限公司

  • 深圳市华阳新材料科技有限公司

  • 江苏君华特种高分子材料股份有限公司

  • 冷泉能控科技(深圳)有限公司

  • 维谛技术有限公司

  • 东莞市硅翔绝缘材料有限公司

  • 苏州大鑫华激光科技有限公司

  • 苏州倍丰智能科技有限公司

  • 中南大学

  • 上海华湘计算机通讯工程有限公司

  • 苏州中科科美科技有限公司

  • 江西零碳未来能源发展有限公司

  • 合肥恒力装备有限公司

  • 三丰精密仪器(上海)有限公司

  • 道可道(江苏)自动化科技有限公司

  • 昆山鑫恺金属材料有限公司

 

拟邀企业类型

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  • 数据中心建设与运营单位(电信、互联网、金融、能源企业等)

  • 数据中心规划设计院所、工程公司及终端企业、AI算力服务器、云服务及芯片与方案提供厂商、高端算力用户(HPC)

  • AI液冷服务器制造商、解决方案提供商及温控系统厂商

  • 液冷新型材料:高导热金属材料(铜合金、铝合金、不锈钢等)绝缘材料、密封材料、塑料材料、橡胶材料、陶瓷基板及导热相变材料等材料厂商

  • 液冷系统核心部件:液冷板、CDU、管路、快速插拔接头UQD、均热板VC、分水器Manifold、冷却液(氟化液、硅油、矿物油等)、散热器、散热管、风扇、泵、阀门、换热器、冷却塔、传感器、冷凝器、液冷Tank等设备供应商

  • 液冷检测服务与热设计:气检、氦检、超声波检测、CT缺陷检测、清洁度检测、漏液检测、疲劳度检测、脉冲耐久测试、热仿真/热设计软件等公司

  • 液冷加工成型设备商:激光焊接、真空钎焊、搅拌摩擦焊、CAB可控气氛钎焊、3D打印等企业

  • 新能源、高性能计算、人工智能、边缘计算、电力、电子、通讯、光伏设备、自动化、储能、电池、氢能源、航空航天等各种科技领域企业主管人员、科研院所及行业专家

三、

报名方式

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方式1:请加微信并发名片报名

电话:Elaine13418617872(同微信)

邮箱:ab052@aibang.com

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扫码添加微信,咨询会议详情

注意:每位参会者均需提供信息

 

方式2:长按二维码扫码在线登记报名

 

或者复制网址到浏览器后,微信注册报名:

https://www.aibang360.com/m/100283?ref=172672

 

四、

收费标准

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参会人数

1~2个人(单价每人)

3个人及以上(单价每人)

3月18日前付款

2800元/人

2700元/人

现场付款

3000元/人

2800元/人

★费用包括会议门票、全套会议资料、午餐、茶歇等,但不包括住宿,可通过艾邦预订会议酒店
★可通过艾邦预订会议酒店,大床/标间可选,协议价400元/间/晚(含早),需另外提前微信联系会务组对接留房。



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液冷技术通过冷却液直接/间接接触热源,核心结构包括:
  • 热交换核心  :冷板(CPU/GPU专用)、CDU(冷量分配单元);
  • 循环网络  :Manifold分液器、EPDM/PTFE管路、快接头;
  • 动力与控制  :变频循环泵(如飞龙股份电子泵)、智能温控系统。
主流方案中,冷板式兼容现网改造(占存量市场80%),浸没式为超算首选(PUE逼近1.0)。 2025年AI服务器的产值超过4000亿美元,年增45%。随着英伟达从Hopper系列向Blackwell系列转换,整个AI服务器产值提升。预计今年AI服务器的市场占有率会从去年的66%突破到今年的70%以上;另外,液冷散热方案的渗透率也有望从去年的14%提升到今年的30%。 涉及的材料有:铜、铝、复合金属材料、金属焊接材料、不锈钢、氟塑料、橡胶材料、密封材料、特种工程塑料、导热散热材料,热界面材料等 按照部件来分有:冷却塔、管道、CDU 液冷换热单元CDU 液冷板、接头、歧管、主泵和辅泵、流量控制系统、过滤系统等 系统集成方面有:空调、机柜、传感器、电源、泄漏检测、控制单元等 按照产业链来区分有:互联网企业,云服务器企业,代工企业、各个零部件企业、材料企业等; 欢迎大家加入我们,共绘服务器液冷散热未来!
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作者 808, ab