白皮书给出的结论极具冲击力：冷却性能最高可提升10–100倍，同时液体流量需求可降低约55倍。

       在AI芯片功耗持续攀升的背景下，这一方案直指当前数据中心最核心的物理瓶颈。随着单颗GPU功率逼近甚至突破千瓦级，传统冷板液冷路径正在失效。问题并不在于材料导热能力不够，而在于热量在芯片内部“耗散过多”，导致真正用于冷却界面的温度不足。换言之，限制散热性能的关键，不是总热阻，而是热阻的分布方式。

       以Nvidia H100这类大尺寸、高功率芯片为例，当前主流冷板液冷体系的总热阻约为55 mm²·K/W。其构成为冷板对流换热、铜基板传导、TIM界面材料以及约800μm厚的硅衬底。看似已经是“最优解”的结构，实际上存在明显缺陷：温度在传导路径中逐级衰减，大部分温降发生在硅内部与界面层，最终传递到冷却界面的温度仅约69°C。

图1. 传统方案与金刚石方案在冷却界面可获得的温度对比：约69°C vs 100°C。在保持相同芯片热点温度的前提下，金刚石方案可支持超过2倍的功率水平。

       这一温度区间决定了冷却方式的天花板。由于水在常压下100°C才沸腾，69°C远不足以触发相变，导致系统只能依赖单相液冷，通过水的显热升温带走热量。这种方式本质上效率有限：单位质量水的带热能力较低，必须通过大流量弥补，从而带来高能耗、高水耗以及复杂的管路系统。

       白皮书进一步指出，两相冷却之所以长期停留在论文层面，并非不可实现，而是被这一“低温界面”锁死。如果要在69°C实现沸腾，必须将系统压力降至0.3 bar以下，这会带来蒸汽体积急剧膨胀、压缩比飙升以及泵浦功耗显著增加，工程上得不偿失。

       针对这一核心矛盾，Diamond Foundry提出的路径并不是简单“换材料”，而是直接重构热路径。其核心工艺是将硅芯片减薄至20-30μm，并在其背面键合约600μm的单晶金刚石。由于金刚石热导率高达约2200 W/m·K，是硅的十余倍，这一结构将上游热阻大幅压缩，使整体有效热阻降至不足1 mm²·K/W。

图2. 传统硅芯片与“减薄硅 + 金刚石衬底”结构在背面表面的温度分布对比。金刚石方案表现出更高且更均匀的界面温度。

       更关键的变化在于温降的“迁移”。在传统结构中，温差消耗在芯片内部；而在金刚石结构中，芯片内部几乎不再承担温降，即便在2500W级别功率下，温差也仅约3°C。这意味着绝大部分温差被“释放”到冷却界面，使芯片背面温度从传统方案的约69°C提升至87-100°C区间。

       这一温度跃迁带来的是冷却机制的根本切换。当界面温度进入90°C附近区间时，在约0.7 bar的近常压条件下，水即可稳定沸腾。这使两相蒸发冷却从“高成本可行”转变为“工程上可用”。相比之下，传统方案必须依赖深度负压系统，工程复杂度与能耗成本大幅提升。

       一旦相变冷却在芯片背面直接发生，其效率优势将呈现数量级跃迁。水的汽化潜热约为2260 J/g，远高于显热升温所能携带的能量。白皮书给出一组极具说服力的对比：对于500W热负载，蒸发冷却仅需约13 mL/min水蒸发即可带走热量，而传统冷板需要约710 mL/min流量，两者相差约55倍。

       与此同时，两相冷却的热流密度能力也显著提升。单相冷却通常仅能支持10-100 W/cm²，而核态沸腾与喷雾冷却可达到100-1000 W/cm²，甚至更高，实现10-100倍性能提升。这意味着，不仅水耗降低，系统还具备支撑未来更高功率密度芯片的能力。

       在具体实现路径上，白皮书重点分析了喷雾冷却与射流冲击两种方案。射流在局部具有较高换热能力，但空间分布不均；喷雾则通过液滴形成分布式薄膜蒸发，实现更均匀的换热，并在高热流密度下具备更高的临界热流密度（CHF）。在金刚石高导热能力的加持下，热量被快速横向扩散，使整个表面更加接近等温状态，从而进一步提升系统稳定性。

       值得注意的是，金刚石不仅“提高效率”，还解决了两相冷却长期存在的工程问题。一方面，其高横向导热能力可有效抑制局部干涸引发的热点；另一方面，其与硅较好的热膨胀匹配降低了大尺寸芯片的翘曲风险，使传统厚TIM层这一低效结构变得不再必要。

       在系统层面，压力窗口的选择同样关键。在对比了0.7 bar与0.25 bar两种工况后，DF指出后者虽然可以降低温度，但蒸汽体积将增加约2.6倍，压缩比大幅提升，泵浦功耗占比可能从3-8%上升至12-24%。因此，0.7 bar成为效率与复杂度之间的最佳平衡点，而这一工况正是金刚石方案所“解锁”的。

       当然，两相冷却并非完全没有代价。虽然液体侧流量极低，但蒸汽侧体积流量大幅增加。例如在0.7 bar条件下，500W负载对应约30 L/min蒸汽流量，这对冷凝与气路系统提出新的设计要求。但整体来看，这一复杂度远低于深度负压体系，仍具备良好的工程可实现性。

       从更宏观的视角看，这项技术的意义在于将原本属于“设施级”的蒸发冷却能力，下沉到芯片级实现。过去，数据中心依赖冷却塔、大规模水循环系统来处理热量，而芯片端只能依赖低效的单相液冷。如今，通过金刚石重构热阻分布，蒸发冷却被直接引入热源本体，热管理路径被极大缩短。

       这项突破这不是渐进式优化，而是热架构的结构性变革。当冷却能力可以在芯片层级实现跃迁，数据中心的设计逻辑也将随之改变——从依赖庞大基础设施转向依赖材料与结构优化。

       在算力与功耗同步扩张的时代，热管理已经从“配套问题”变为“边界问题”。Diamond Foundry所提出的方案，本质上是通过材料与结构的协同设计，重新定义了这一边界。当100倍性能与55倍节水不再只是理论推演，而成为可工程化落地的路径，数据中心冷却体系或许将迎来一次从底层逻辑出发的重构。

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本文来源：超硬材料网