隨著 AI 數據中心芯片功耗的不斷攀升，傳統的單相液冷（水冷板）技術正逼近物理極限。Diamond Foundry (DF) 的最新技術報告指出，破局的關鍵不在于繼續優化水冷板，而在于從芯片基底材料入手，引入單晶金剛石（SCD）來實現向“兩相蒸發冷卻”的范式轉變。
Diamond Foundry最新技術報告原文可掃文末二維碼或聯系13373875075(微信同號) 領取。
圖：在冷卻液冷卻條件下，最先進芯片與金剛石基芯片的溫度分別為69°C和100°C。金剛石基底芯片在保持相同最高熱點溫度的同時，支持的功率水平超過前者的兩倍。
傳統水冷的瓶頸：熱阻太高，導致“冷面不夠熱”
當前高功率芯片普遍采用冷板（coldplate）單相液冷，其典型散熱路徑如下：
晶體管 → 硅基底 → TIM → 銅擴散層 → 冷板 → 冷卻液
這個過程可以理解為一個多層串聯的熱傳導路徑，每一層都會消耗一部分溫差。
現實情況是，這個溫差的“消耗”并不均勻。由于硅本身厚度較大、導熱能力有限，再加上TIM材料導熱性能偏弱，熱量在芯片內部就已經損失了相當一部分溫度。等真正傳到冷卻液界面時，溫度往往只剩下六七十攝氏度。
芯片背面（與冷卻液接觸的面）不夠熱，無法讓水沸騰。
這看似只是一個數值問題，但實際上直接限制了散熱方式的選擇。因為在常壓下，水需要接近100℃才會發生沸騰，而六七十度顯然達不到這個條件。也正因為如此，當前主流數據中心仍然以單相液冷為主，即通過提高水流量和流速，把熱量“帶走”，而不是通過相變來“釋放”熱量。
如果強行要在這個溫度下實現沸騰散熱，就必須把系統氣壓降到極低的負壓（如低于 0.3 bar），這在數據中心工程上極不實用
這種方式的上限是比較明確的：流量越大，系統復雜度越高，泵的功耗也越高，整體效率很難再有數量級提升。
DF 提出的解決方案是：將硅芯片減薄至 20 微米，并將其集成在 600 微米厚的單晶金剛石（SCD）基底上
如果只看材料參數，這一步很好理解——金剛石的導熱率遠高于硅。但真正關鍵的變化并不在“導得更快”，而在于熱量在整個路徑中“掉溫差的位置發生了改變”。
在傳統結構中，溫差主要消耗在芯片內部，而在引入金剛石之后，由于上游熱阻顯著降低，熱量幾乎可以快速傳到底部，這使得溫差不再集中在硅層，而是更多地“留”在冷卻界面附近。
直觀來看，就是原本到達冷卻液時只有六七十度，現在可以接近甚至達到一百攝氏度。
這意味著冷卻水在接近標準大氣壓（如 0.7 bar，相當于海拔 3000 米的氣壓）下就能直接在芯片背面沸騰蒸發
一旦水可以在芯片表面發生沸騰，散熱邏輯就從“升溫吸熱（顯熱）”跨越到了“相變吸熱（汽化潛熱）”
這也是為什么報告中提到，在相同條件下，兩相冷卻可以實現10到100倍的熱流密度提升，同時液體流量卻可以下降數十倍。換句話說，不再需要大量水高速流動，就能實現更強的散熱能力。
從系統角度來看，這相當于把散熱從“流體驅動”轉向了“相變驅動”，其效率和潛力完全不在一個層級。
兩相冷卻本身并不是新技術，在數據中心的設施層面早已有應用。但一直難以深入到芯片級，核心原因正是前面提到的溫度問題。
如果冷卻界面溫度不夠高，就必須通過降低系統壓力來讓水提前沸騰。但一旦進入低壓環境，就會帶來一系列工程挑戰，比如蒸汽體積顯著膨脹、泵的壓縮比提高、系統密封和穩定性變差等。這些問題疊加起來，使得方案在實際應用中成本高、復雜度高，很難推廣。
金剛石的引入，本質上繞開了這一難題。通過提高界面溫度，使系統可以在接近常壓的條件下實現沸騰，從而在性能與工程可行性之間找到一個新的平衡點。
報告詳細對比了射流沖擊（Jet Impingement）和噴霧冷卻（Spray Cooling），結論是 噴霧冷卻 + 金剛石 是最強組合
噴霧與射流沖擊對比圖
射流的缺陷： 射流雖然在沖擊點散熱極佳，但在沖擊點外圍的熱傳導會迅速衰減（下降 50-70%），且容易產生“蒸汽毯”（汽膜），阻斷熱傳導導致散熱失效。
噴霧的優勢： 噴霧能產生分布式的薄膜蒸發，液滴持續破壞蒸汽邊界層，防止氣膜形成
金剛石的“乘數效應”： 噴霧在傳統基底上容易因局部熱點而提前干涸。但金剛石極強的橫向導熱性，在水霧接觸前就把熱點“抹平”了，提供了一個近乎等溫的表面
圖：DF位于加利福尼亞州圣何塞的芯片實驗室正在利用熱測試平臺測試先進的芯片散熱技術。
整體來看，這份技術報告真正重要的，不只是證明金剛石在導熱性能上的優勢，而是展示了一種新的散熱思路：通過改變熱阻分布，讓冷卻界面具備發生相變的條件，從而引入更高效的散熱機制。
這意味著，未來芯片散熱的競爭，除了材料參數的比拼，整個熱管理路徑的設計也十分重要。當功耗繼續上升時，這種從“單相液冷”向“芯片級兩相冷卻”的轉變，或許將成為下一階段的重要方向。
