2026.09.23 | AC | Thermal | AI Thermal Chain: Graphene & Diamond

摘要

石墨烯与金刚石不是替代关系，而是同一条热阻链上不同层级的分层共存，条链不在同一产业阶段。 这条链真正稀缺的不是材料，而是"已通过认证的有效供给"。 Rubin Ultra 是否重回液态金属，决定石墨烯是"多代主材"还是"单代方案"；金刚石的最大约束不是路线被否，而是大尺寸良率，以及产能投放快于需求的风险。

---

一、产业链视角的三个判断

第一条：把石墨烯和金刚石放进"谁会替代谁"的框架里讨论，是这一轮散热研究里最大的分析误区。两者在热阻链上根本不在同一层：石墨烯卡的是TIM2（盖板—冷板界面），金刚石卡的是TIM1/热沉/IHS盖板及更靠近芯片的扩热层，二者是串联互补关系— —液冷负责把热"搬走"、近端材料负责把热"摊开"，缺一环都跑不满。这也是为什么在郑州超算部署金刚石铜之后，石墨烯垫片仍会随Rubin切进TIM2——散热链路不存在"一种材料吃到所有界面"的路径。

第二条：两条链不在同一个产业阶段，混着讲会误判节奏。石墨烯链已经走完"客户认证+主供锁定"，据产业链调研，Rubin平台确定以石墨烯导热垫片取代铟镓液态金属作为TIM2主材，NV服务器除单独出货的芯片外GPU+CPU全部采用石墨烯TIM2， 2026Q4随Rubin放量。金刚石链还停在"送样—小批量"过渡期：三条路线里只有金刚石铜实现了系统级规模应用，多晶CVD进入小批量，单晶仍在验证与科研阶段，2026年是导入元年而非放量年。把两条链的产能与认证进度放在同一张表里对比，会系统 性高估金刚石、同时低估石墨烯的时间差优势。

第三条，也是最容易被忽略的一条：这条产业链真正稀缺的不是材料，而是"有效供给"。产线建成与产能可用之间隔着12–36个月的客户认证——高端TIM认证周期1至3年，需完成高低温循环、湿热、长期压缩、系统级多维测试；金刚石完整验证12–24个月 ，分材料基础性能、带载老化、整机联合测试三段，国内客户比海外还要短半年到一年。这意味着任何以"规划产能"或"设备台数"为口径的供给测算都要打折，产业链上"产能很足、收入很小"的背离正是认证周期造成的，不是需求问题。

需要给它设一个反转条件：目前整条石墨烯TIM2逻辑押在"Rubin代际的选型能延续下去"这个前提上。Rubin Ultra及后续更高功耗架构存在重回液态金属的可能，业内判断方案定型要到2027年上半年才清晰。如果这一条被推翻，石墨烯就不是"下一代主材"而是"单代过渡方案"，所有基于份额与用量外推的空间测算都要重算——这是整个判断体系里最先可能出问题的一环。金刚石一侧则相反，它的风险不在路线被否（在高导热+低热应力的组合上没有工程替代品），而在放量节奏被良率和大尺寸化拖住。

--- 二、分层与传导：两种材料在热阻链上的位置

散热链路是一条七级串联的热阻路径：芯片→TIM1→均热盖板/VC→TIM2→冷板（液冷）→CDU→机房。液冷解决的是从服务器到机房的"搬热"，金刚石这类材料解决的是芯片结到冷板之间的"扩热"，两者是叠加关系而非替代关系，商业化验证锚点是Akash Systems的Diamond Cooling方案。

界面层的分工需要先钉清楚，否则后面的价值量讨论没有坐标系：TIM1负责芯片到盖板（要求最高，直接影响结温），TIM2负责盖板到冷板，TIM1.5是裸带表面直连冷板（CPU场景常见，传统封装中不存在这一层）；并非所有封装都有独立的、非焊接的T IM1（部分采用芯片与盖板直接焊接），但只要有盖板就一定存在TIM2。这一层结构差异直接决定了两种材料的分工：石墨烯垫片是柔性填隙材料，天生适配TIM2的装配公差；金刚石是刚性高导热体，价值在近端扩热与盖板替换。

需求端的传导链是清晰的一条线：功耗台阶抬升→局部热流密度突破阈值→现有材料触及物理极限→近端材料从"优化项"变成"必需项"。功耗从H100约700W、GB200/GB300约1000–1400W，到Rubin约2300W、VR300约3600W，单芯片三年翻近三倍；单芯片功耗过1000W、局部热流密度超1000 W/cm²之后，铜的401 W/(m·K)就成了瓶颈，因为热点温度直接决定是否降频，而降频等于丢算力。这也是散热材料在这一轮里定位变化的产业本质——它不再是"更好的辅材"，而是"决定算力能不能跑满的约束条件"。

但两条链的接入方式完全不同，这直接决定了放量速度的差异。石墨烯走的是"替换型渗透"：在同一层界面里换掉相变材料或硅脂，材料沿硅脂（H100）→相变（GB200/GB300）→石墨烯垫片（Rubin）逐代迭代，封装结构基本不动，导入阻力主要在 材料认证而非工艺改造。金刚石走的是"新增层或替换结构件"：要么在芯片背面增加键合层，要么把IHS盖板、冷板凸台换成金刚石铜，涉及封装工艺、键合工艺与热膨胀匹配的重新设计，因此导入周期更长、节奏更慢。同一代芯片平台里石墨烯先上量、金刚石后跟进 ，是结构决定的，不是公司执行力差异。

--- 三、技术路线与工艺卡点

石墨烯：物理上的各向异性决定了工艺必须"把片层立起来"。

石墨烯面内热导率约5000 W/(m·K)，是铜的十余倍，但层与层之间仅靠范德华力相连，厚度方向导热极差——这是它一切工艺难点的根源。要让石墨烯在芯片与冷板之间有用，必须把片层"竖着站"起来形成垂直取向结构，行业工艺路线大致两类：一类通过多流延铸同步引入水平与垂直剪切流场，连续制备抛物线取向的氧化石墨烯水凝胶薄膜，再经发泡、高温石墨化与浸渍成型；另一类对石墨烯纸施加横向机械力与压力，使取向由水平转为垂直、形成类蜂巢多层结构。

真正的门槛不在原理，在设备与稳定性：需要自研模压装置、旋转装置与专用模具，让纤维均匀、定向、稳定地"站"进垫片，并在保压过程中保持取向不塌，同时兼顾连续米级量产。这是国内少数厂商能做出量产件、多数厂商停留在样品阶段的直接原因。上游粉体环节同 样构成约束——粘结/掺杂体系是导热系数的天花板，材料体系沿氧化铝→氧化镁→氮化铝→氮化硼演进，掺杂氮化硼时粉体成本占比可高达60%，成本与性能在这里是直接的取舍关系。

量产级指标目前有公开参照：头部厂商的垂直取向石墨烯导热垫片量产件Z向导热系数可达130 W/(m·K)、热阻低至0.06 ℃·cm²/W、最大压缩量70%，已进入头部芯片厂商装机产品的TIM2层。产业口径给出的量产门槛为垂直导热≥130 W/mK、典型面积热阻0.04 ℃·cm²/W、1000小时老化后压缩率保留70%。

金刚石：三条路线卡点完全不同，节奏依次递减

两条共同卡点贯穿所有路线：其一是界面热阻（TBR）——热量从芯片进入金刚石要跨越界面，键合层或过渡层做不好，材料本体的高热导率会被界面吃掉大半，这是工程化的真正胜负手；其二是加工性——莫氏硬度10意味着切割、研磨、抛光、打孔全部需要专用工艺 ，且金刚石与铜本质不浸润，复合材料必须做镀钨、镀钛等界面改性。金刚石铜路线目前以熔渗法为主流（市场占比约28%），气体压力辅助熔渗可把致密度提高到98%以上，这也是这条路线能率先落地的原因。

尺寸—良率—成本是强非线性关系，这是金刚石链最硬的约束。4英寸金刚石制品良率约60%，6英寸工艺相对成熟，8英寸仅可打样测试、尚无厂家实现高良率低成本批量供应，12英寸仍处研发阶段；同材质50×50mm产品价格是10×10mm的6–7倍，CVD金刚石的价格增幅更高、可达8–10倍。下游客户对远期的明确要求是12英寸、热导率≥1500 W/(m·K)、厚度≥350微米，当前没有成熟产品同时达标；台积电最终要的是12英寸纯金刚石产品，整片晶圆键合后再切割，而当前量产较多的小尺寸单晶仅适配小面积单芯片。因此金刚石链的放量节奏不是由需求决定，而是由"大尺寸能不能做出来、良率能不能提上去"决定。

一个容易被误传的技术否定项需要澄清：金刚石微粉掺入TIM的方案在原理上不成立。石墨烯散热依赖稳定连续的晶格结构振动传热，而金刚石微粉没有连续晶格结构，传热路径是中断的，且微粉本身难粘结。这条判断的实际含义是：金刚石的价值量必须落在热沉片、盖 板、冷板等结构件上，不能指望它改变TIM材料的配方体系——把金刚石与石墨烯的对立叙事建立在TIM层替代上，本身就是错的。

降本路径三条已形成一致预期：产能向新疆、内蒙古等低电价区布局，提高国产设备使用率，规模化摊薄固定成本；非规模化阶段4–6英寸MPCVD金刚石片的BOM成本约1万元/片，其中电费占运营成本50%–55%、是最高的单项，规模化后整体降本空间约3 0%–50%。

--- 四、认证与导入：这条链真正的产能是"已通过认证的产能"

高端热界面材料的瓶颈从来不是材料全面短缺，而是通过头部客户认证的有效供给有限。高端TIM属于芯片级关键物料，直接影响GPU结温与算力输出，客户需完成高低温循环、湿热、长期压缩、系统级等多维可靠性测试，认证周期长达1至3年；认证的高门槛不仅让 新进入者短期无法形成有效供给，更给已通过认证的厂商带来极强的客户粘性。一个可核验的时间标尺是：某头部石墨烯垫片厂商自2018年接触英伟达、2020年获Code、2022年才实现批量供货，全程约4年。消费电子客户向服务器迁移的新客户认证通常也 要1–2年。

金刚石侧的验证周期同样明确：完整验证12–24个月，流程为材料性能验证→带板适配性验证→整机服务器长期压力测试；细化为约3个月材料基础性能测试、6–12个月高低温及长期负载可靠性老化测试、3–6个月整机联合测试，之后才进入小批量采购、大规模 放量采购。国内客户认证周期比海外缩短半年到一年。越靠近芯片的材料，客户对可靠性、批次一致性和封装兼容性的要求越高，导入周期往往长达1–2年，业绩放量可能严重滞后于概念热度。

导入位置本身分成三个层级，工艺难度递增、节奏依次变慢：封装外部难度最低、落地最快（无需与晶圆厂合作，海外已有厂商向云服务商出货）；封装内部贴近芯片难度更高、节奏更慢；Die级直接键合距热点最近、热阻路径最短，但工艺最难。当前产业推进以封装外 部与封装内部为主，Die级仍处实验室与验证阶段。

"进入产业链"和"进入供应链"是两个必须区分的概念，这是理解国产化真实进度的关键。"进入产业链"指原材料卖给海外集成厂商，门槛较低；"进入供应链"指直接服务终端整机，需要经过严苛的长期认证。以当前情况看，国内厂商的主力落地场景仍是光模块TI M，GPU核心石墨烯TIM供应链的完整认证还在推进中；国内多数液态金属、石墨烯厂商只能提供原材料，需经海外散热集成商完成整套认证。北美头部云厂商还要求核心配方与制造环节北美本地化（原材料可全球采购，但配方、加工、成品制造放在北美）。这条约束 决定了国产份额的天花板不是成本优势能突破的，只能靠客户结构的分散化来解决。

--- 五、供给格局与国产化：上中游强，设备与后道弱

石墨烯链：中游由国内主导，且主供集中度极高

石墨烯TIM赛道的供给结构在全球范围内比较特殊：中游材料环节由国内厂商主导，海外布局很少。集中度方面，据供应链信息，某厂在已通过认证供应商中占比较高（英伟达未公开披露供应商份额，二供导入进度以官方认证公告为准）。这一结构对产业链有两层含义： 短期看，先发者享受认证红利、盈利弹性高；中期看，单一供应商本身就是客户要解决的供应链风险，第二供应商导入是确定会发生的事件，而二供导入通常伴随量增价减，这是这条链未来1–2年最需要预判的变量。

结构性事实：全球高端TIM仍由欧美日企业主导（半导体级、车规级），中低端国内企业众多且价格竞争激烈，国内厂商的突破集中在石墨烯、碳纳米管等新型高导热材料这一类"新赛道"，而非存量高端替代。

金刚石链：原料端全球垄断，价值重心在迁移，但设备与后道是短板

上游原料是中国最强势的一段：2025年全球全品类工业金刚石总产量（不含培育珠宝钻石）2461吨、对应市场规模折合人民币459亿元，我国产能占全球超90%；从国内布局看，河南掌控全国90%的工业金刚石产能及80%的培育钻石产能。更有信息量的是 产值结构变化：工业级金刚石产值占比已降至60%，散热级已达22.6%，行业沿"磨料级—宝石级—电子级"三级谱系升级，价值重心正在向功能级迁移。

短板集中在两端：设备端，半导体级MPCVD设备目前由海外厂商垄断，国内4英寸及以上单晶CVD设备国产化率不足20%；全球MPCVD设备保有量约1万台、我国约3000台（占比约30%）。不过设备价格已明显下行——从进口800–1200万元降至 国产300–500万元、降幅超40%，这是中游产能扩张的前提。后道端，大尺寸生长、超精密加工与低热阻键合是决定良率与成本的关键，能生产8英寸多晶CVD的MPCVD设备与键合设备是关键价值点——也就是说价值量向上游设备与后道工艺两端集中，而非 均匀分布在整个链条上。

成本结构决定了产能地理分布：MPCVD生长中电费占运营成本50%–55%、是最高的单项成本，因此行业产能呈现向新疆、内蒙古等低电价区域转移的共性趋势，规模化后整体降本空间约30%–50%。这是一条成本曲线会持续向下走的产业依据，也是判断金刚 石长期渗透率的正面因素。

--- 六、放量节奏、共识与分歧

时间轴：两条链的节奏差约一到两个季度，金刚石再往后一年

三个触发条件值得单独盯住，它们同时是各自逻辑的证伪信号：第一，Rubin的出货节奏不能推迟——若交付顺延，整链量产爬坡同步顺延，石墨烯链的2026Q4放量预期会直接后移；第二，第二家石墨烯垫片供应商的导入进程——这是客户主动推动的动作，落地 意味着单价压力的开始，从"份额稀缺"叙事切换到"量产降本"叙事的时点就在于此；第三，金刚石大尺寸生长的良率与键合突破——在这一条确认之前，金刚石的任何空间测算都只是产能叙事而非收入叙事。

产业链层面的四条共识

一是TIM的定位从辅材升级为瓶颈材料，AI功耗跃迁使界面热阻直接影响芯片结温与满负荷能力，并催生TIM1.5这样的新层级。二是Rubin代际确定采用石墨烯作为TIM2主材、2026Q4起放量，NV服务器GPU+CPU全部采用石墨烯TIM2。 三是高端供给紧缺、认证周期1–3年，有效供给而非材料总量构成约束。四是国产替代呈分层推进：光模块与中低端已落地，GPU核心界面仍在突破，石墨烯与金刚石在中下游的分工是分层共存而非替代。

三处关键分歧

分歧一：液态金属是否会重回主线。Rubin平台此前因量产可靠性从液态金属转向石墨烯（产业拆解口径），业内对它是过渡方案还是最终方案存在两派观点——支持石墨烯的一派认为液态金属的化学侵蚀、高导电短路风险、维护成本三大硬伤未解，且石墨烯在70–100 W/(m·K)区间与液态金属参数重叠，选石墨烯是量产与可靠性维度胜出；支持液态金属的一派认为Rubin Ultra及后续更高功耗架构会重新需要其更低的界面热阻，且潜在的镓铟合金膏状方案可规避纯液态金属的可靠性风险。这一点直接决定石墨烯TIM2是"多代主材"还是"单代方案"，是整条链估值弹性的最大变量。

分歧二：金刚石是否存在性能过剩。产业端已有明确的反面观点——CVD金刚石在约90%的散热场景存在性能与价格双重过剩，仅在军品等极端环境有小规模应用，商业化程度极低，且未来也不会完全替代金刚石铜复合材料，两类路线分别适配不同层级需求；材料端强 调的则是物理性能没有工程替代品。结合"复合材料单芯片价值量仅为纯金刚石10%–20%"这一结构事实，短期内更可能兑现收入的是低价值的金刚石铜而非高价值的纯金刚石，这一点与市场叙事存在明显落差。

分歧三：目前对市场空间测算偏差很大，本质是渗透率、单芯片价值量、出货量三个假设的乘积不同，不适合作为结论使用。

三类需要警惕的信号

第一类是材料端与客户端的预期差：材料端对放量节奏普遍乐观，客户端态度明显谨慎，多数新材料仍处小规模验证跑量阶段，不会出现新材快速替代旧材的情形。第二类是涨价与散热需求脱钩：2026年内工业金刚石两次上调售价（合计区间8%–15%），但调价函 明确归因于上游核心原材料价格上涨，珠宝端价格并未受影响，散热需求更多是"预期助推"而非产业端飞升的直接证据。第三类是定价跑在实业前面：年初至今，相关个股涨幅很大，而同期金刚石链2026H1的利润高增多与散热业务无关，报表与估值之间存在明显背 离。

本文所有分析基于公开信息及专家调研访谈内容整理，不涉及未公开重大信息。本文仅供信息参考，不构成任何投资建议，据此操作风险自担。