给芯片敷上高效“散热贴”

来源：科技日报

科技日报记者 张毅力

近日，曙光数创推出全球首款MW（兆瓦）级相变浸没液冷整机柜及其基础设施整体解决方案C8000 V3.0，成为算力基建新标杆。该技术首次实现金刚石铜导热材料规模化应用，让系统导热率提升80%，助力芯片性能上涨10%。

当下，全球算力竞争日趋激烈，散热已成为制约算力发展的关键物理壁垒。如何打破阻碍算力增长的“热墙”？答案，就藏在一颗小小的人造金刚石中。

凭借超高的热导率，金刚石是公认的散热“终极材料”，导热能力远超传统铜材。从1963年郑州三磨所研制出国内首颗人造金刚石，到如今国产人造金刚石成功应用于芯片核心散热环节，我国超硬材料已经完成从研发到高端应用的进阶。

“种出”散热新基石

行业数据显示，全国数据中心耗电量已连续8年同比增长12%，年用电总量远超三峡大坝与葛洲坝发电量之和，其中芯片散热是能耗最高的环节。

国机金刚石市场支持中心总经理陈宇鹏告诉科技日报记者，当前主流散热材料铜的热导率仅约400W/(m·K)，在高热流密度下极易形成“热淤积”，长期运行会导致芯片翘曲、开裂乃至失效，成为算力升级的“绊脚石”。

谁能替代铜？中国机床工具工业协会超硬材料分会秘书长孙兆达介绍，金刚石凭借2000—2200W/(m·K)的超高热导率，以及与SiC、GaN等第三代半导体高度匹配的热膨胀系数，成为破解算力散热瓶颈的最优解。

由于天然金刚石价格高昂，人工培育成为唯一可行路径，但其研发之路布满荆棘。目前，国内外普遍采用高温高压法模拟地幔环境制备金刚石，但该方法产出的晶体形貌、尺寸与纯度参差不齐，难以满足半导体等高精领域需求。

“培育金刚石有点像种庄稼，需要‘种子’和‘养料’。”中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员江南用通俗的比喻，解释了CVD（化学气相沉积法）技术路线：以微小金刚石为籽晶、甲烷等含碳气体为原料，在超高真空腔体中激发等离子体，让碳原子逐层有序沉积，最终长成大尺寸高品质晶体。

十余年前，国内CVD装备依赖进口。2012年，从海外归国的江南毅然扛起攻关重任。“上百次失败，每次都令人沮丧，设备频繁故障，长出的材料发黑变质，根本称不上晶片。”江南回忆起战斗岁月，仍感慨万千。

历经一年多的日夜奋战，2013年12月31日深夜，团队迎来历史性突破——国内第一片依托自主研发的微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备及配套工艺合成的单晶金刚石成功被“种”出。此后数年，装备与工艺持续迭代，晶体尺寸稳步提升至6英寸、8英寸，实现全面国产化自主可控。

今年2月28日，国内首条8英寸金刚石热沉片生产线在河南长葛风优创正式投产，标志着我国大尺寸金刚石散热材料实现了规模化量产。

破解黏合难题

在河南碳真芯材科技有限公司展厅里，一枚仅1/4指甲盖大小的芯片静静陈列。“这是我国科研团队自主研发的金刚石铜复合散热材料，一款为芯片量身定制的‘散热贴’。”该公司研发总监苏振华说。

看似轻薄的散热材料，背后研发历尽艰难。最大的技术难题就是金刚石与铜的黏合。“金刚石与铜的化学相容性极差，相遇会产生不浸润现象，就像水滴落在荷叶上，根本粘不住。”陈宇鹏坦言，除此之外，金刚石热沉片硬度很高却脆性大，极易翘曲，即便勉强黏合，也无法与芯片无缝键合。

“让金刚石与铜‘牵手’、与芯片‘贴合’，才是真正的硬骨头。”陈宇鹏告诉记者，为突破这一技术关口，多地科研团队开启耗时数年的联合攻坚。

南京瑞为新材料科技有限公司的科研团队潜心研究近三年，敏锐发现河南钻石厂的废弃细粒金刚石是突破口。这些不起眼的小颗粒，由于棱角丰富，可与金属基材紧密咬合，正是破解黏合难题的关键原料。

日复一日的试验、调试、改良，团队成功研发出新型配比配方，创新采用表面金属化改性与铜基合金化设计，将界面热阻降低80%，让金刚石与铜牢固粘在一起。

与此同时，国机集团金刚石团队通过优化粉体配比与烧结温控工艺，攻克板材翘曲的核心难题，将2英寸金刚石热沉片的翘曲度控制在10微米以内，平整度堪比标准足球场，误差不超1毫米，彻底扫清了材料与芯片无缝键合的最后障碍。

最终，依托哈尔滨工业大学核心技术，河南碳真芯材团队实现技术落地量产，让这款国产芯片“散热贴”彻底摆脱“实验室产品”的标签。“我国占据全球95%的工业金刚石产能，为散热技术突破提供了坚实底座。”孙兆达说。

搭载先进系统

2026年CES展会上，英伟达宣布下一代GPU将全面淘汰传统散热方式，改用“金刚石铜复合材料+液冷”全新散热体系，正式开启全球算力散热体系新一轮迭代升级。

除了金刚石铜导热材料的应用，曙光数创C8000 V3.0更通过对散热、供电、控制与结构的系统性重构及多项技术突破，成为保障高功率芯片高速、稳定运行的关键支撑。

“智算中心已不可逆转地迈入兆瓦级时代。”中国科学院院士、河南大学校长张锁江表示，超高功率芯片持续迭代，算力密度大幅提升，单一散热材料的优化，无法彻底解决高热淤积难题，必须依托系统级技术革新形成完整散热闭环。

金刚石铜复合材料虽具备极速吸热能力，但依旧存在短板。若缺乏匹配的高端散热系统加持，材料吸附的热量无法及时排出，就会堆积在设备内部，不仅无法发挥超高导热优势，还会导致芯片降频、设备损耗，材料优势难以落地。

曙光数创推出的全球首个MW级相变浸没液冷整机柜C8000 V3.0则攻克这一难关，完成材料与系统的完美适配。曙光数创资深技术专家黄元峰介绍，该项目首次规模化应用金刚石铜复合材料，在芯片硬件规格不变的前提下，可实现实测系统计算性能提升约10%，在高密度集群场景下达到甚至超越国际主流水平。

作为核心散热载体，C8000 V3.0完美承接金刚石铜材料的导热优势，构建起“极速吸热+高效排热”的完整链路。其换热效能是传统方案的3至5倍，可快速带走金刚石铜材料传导的芯片核心热量，杜绝热量淤积。

材料突破实现热量快速导出，系统创新完成热量高效消散。这套“金刚石铜新材料+浸没液冷新系统”的双重赋能体系，从根源上破解了超高密算力场景的散热困境，为国内智算产业提质增效、全球算力绿色升级提供了强劲支撑。