Unter dem rauschenden Anstieg der Rechenleistung: Diamant-Kupfer erreicht den Moment als "unverzichtbare Option"

Anfang 2026 wurde der China-Besuch von Jensen Huang, dem Gründer von NVIDIA, plötzlich zum heiß diskutierten Thema in der Technologiebranche. Laut industrieinternen Nachrichten war einer der Kernanforderungen seiner Reise die Suche nach einer ultimativen Lösung für die Hochleistungs-Kühlung von NVIDIA's nächsten Chips. Insbesondere das Treffen von Jensen Huang mit Henan Chaoying Diamond Technology wurde von der Branche als wichtiges Signal erkannt - dieser "Herrscher der Rechenleistung" sucht dringend nach einer Lösung, um die heftigen Wärmeströme der nächsten GPU-Generation zu beherrschen.

Dieser Schritt ist nicht aus dem Nichts gekommen. Bereits auf der CES 2026 hat NVIDIA offiziell angekündigt, dass die nächste GPU mit Vera Rubin-Architektur vollständig das "Diamant-Kupfer-Komposit-Kühlsystem + 45°C warmes Wasser-Direktflüssigkeitskühlungssystem" nutzen wird, was die Richtung für die Kühlungstechnologie hochwertiger Chips weltweit festlegt.

Die Kühlungskrise hinter dem rasanten Wachstum der KI-Rechenleistung

Warum investiert NVIDIA so viel Energie und Ressourcen in ein Material? Die Antwort mag in der Kühlungskrise hinter dem rasanten Wachstum der KI-Rechenleistung liegen.

In den letzten Jahren haben die Anforderungen an das Training und die Inferenz von KI-Großmodellen die Dichte der Transistoren und die Betriebsfrequenz der Chips stetig erhöht. Die Wärmeakkumulation ist inzwischen der zentrale Engpass, der die Freisetzung der Rechenleistung einschränkt - mit jeder Erhöhung der Temperatur um 10°C sinkt die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte um 50%. Über 35% der Störungen elektronischer Geräte sind auf Überhitzung zurückzuführen, und 40% des Energieverbrauchs in KI-Datenzentren wird für die Kühlung aufgebracht.

Angesichts des exponentiellen Anstiegs der KI-Rechenleistung scheint das Ausbrechen dieser "Kältefront" längst vorbestimmt.

Mit der GPU der Blackwell-Architektur, deren Leistungsverbrauch über 1000 W liegt, und der Rubin-Architektur-Chips, die sogar über 1500 W hinausgehen (bei einigen Modellen erreicht der Spitzenwert nahezu 2300 W) und eine lokale Wärmestromdichte von über 1000 W/cm² aufweisen, sind die herkömmlichen Kühlungslösungen längst an ihre Grenzen gestoßen.

Beispielsweise ist die Luftkühlungstechnologie auf den Wärmeleitkoeffizienten der Luft beschränkt und versagt vollständig, wenn die Wärmestromdichte über 300 W/cm² liegt. Die herkömmliche Flüssigkeitskühlung bietet zwar Verbesserungen, aber der Wärmeübertragungsweg ist lang und der Wärmewiderstand groß, was den hohen Wärmestromanforderungen der Rubin-Architektur-Chips nicht entspricht. Am wichtigsten ist, dass das herkömmliche reine Kupfermaterial inhärente Mängel aufweist: Der Wärmeleitkoeffizient beträgt nur 400 W/(m·K), und der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) liegt bei 16,5 - 17,5×10⁻⁶/K, was deutlich von dem der Silizium-Chips (3 - 4×10⁻⁶/K) und der breiten Bandlückensemiconductor (4 - 5×10⁻⁶/K) abweicht. Bei Temperaturschwankungen entstehen leicht Wärmespannungen, die zu Ermüdung der Verkapselungsschicht und Bruch der Lötverbindungen führen können.

Legierungsmaterialien wie Wolfram-Kupfer und Molybdän-Kupfer können zwar durch Anpassung der Zusammensetzung den CTE auf 6,5 - 7,5×10⁻⁶/K einstellen, aber sie opfern dabei die Wärmeleitfähigkeit. Der Wärmeleitkoeffizient liegt nur bei 180 - 210 W/(m·K), was zu einem Dilemma führt, bei dem es unmöglich ist, sowohl eine gute Wärmeleitung als auch eine gute Anpassung zu erreichen.

Es ist offensichtlich, dass die herkömmliche Kühlung an ihre physikalischen Grenzen gestoßen ist und nicht mehr den Kühlanforderungen von Hochleistungs-Chips entspricht. NVIDIA braucht dringend ein mehrschichtiges System, das "extrem effiziente lokale Kühlung + globale effiziente Temperaturkontrolle" bietet, um die weitere Leistungssteigerung der Chips zu unterstützen.

Diamant-Kupfer: Eine technologische Überlegenheit,

die die Kühlgrenzen sprengt

Die Entstehung des Diamant-Kupfer-Kompositmaterials bringt eine technologische Überlegenheit mit sich.

Es ist bekannt, dass der Kernvorteil von Diamant-Kupfer in der Kombination einer extrem hohen Wärmeleitfähigkeit und eines präzise einstellbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt. Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von Diamant kann bis zu 2200 W/(m·K) erreichen. Nach der Kompoundierung mit Kupfer kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials auf über 600 - 1000 W/(m·K) gesteigert werden. Gleichzeitig kann durch die Anpassung des Volumenanteils und der mikroskopischen Verteilung der Diamantpartikel der CTE präzise auf 5 - 7×10⁻⁶/K eingestellt werden, was hervorragend mit den Hauptsemiconductor-Materialien wie SiC und GaN sowie der Kombination von Chip und PCB-Board übereinstimmt.

Diese Eigenschaften ermöglichen es, die Kühlungsprobleme von Grund auf zu lösen: Einerseits kann es die Wärme mit hoher Wärmestromdichte schnell ableiten und so eine lokale Überhitzung des Chips vermeiden. Andererseits kann es die Pumpwirkung erheblich reduzieren, die Verformung des Materials und die Lücken an den Grenzflächen verringern und so die Zuverlässigkeit der Kühlung auf Systemebene verbessern. In Anwendungen wie AI-GPUs mit einem Leistungsverbrauch von über 700 W, HBM mit hoher Packungsdichte und Supercomputer-Chips ist Diamant-Kupfer die unersetzliche beste Lösung.

"Kühlung ist nicht mehr nur ein Aspekt der Leistungsoptimierung, sondern eine strategische Ressource, die die Obergrenze des Produkts definiert", sagte ein Kühlungsexperte von Huazhi New Materials, einer Tochtergesellschaft von Huatai Electronics. "Wenn der Leistungsverbrauch der Chips die 1000-Watt-Marke überschreitet, sind die Probleme wie Leistungseinbußen, verkürzte Lebensdauer und erhöhter Energieverbrauch, die durch herkömmliche Kühlungslösungen verursacht werden, nicht mehr hinnehmbar. Diamant-Kupfer hat sich von einer 'optionalen Lösung' für Hochleistungs-Kühlung zu einer 'notwendigen Option' entwickelt und ist somit eine notwendige Entwicklung für die Branche."

Das Gespräch von Jensen Huang mit Anbietern von Kühlungslösungen und die gleichzeitige Veröffentlichung von sechs Chips auf der Rubin-Plattform, von denen einige eine Größe von 100 mm * 100 mm oder sogar größer haben, bestätigen diesen Trend - die Kühlungsoptimierung großer Chips kann nicht einfach durch den Ersatz von herkömmlichem Kupfer durch Diamant-Kupfer erreicht werden, sondern muss auf Systemebene optimiert werden.

NVIDIAs Strategie zielt nicht nur auf die Kühlung aktueller Chips ab, sondern auch auf die Vorbereitung für die nächste Generation von 3D-Verkapselungen und Hochleistungs-Chips. Diamant-Kupfer ist der Kern dieser Strategie.

Nach der Veröffentlichung von NVIDIAs Lösung hat sich der Fokus der Spekulationen in der Branche von "welches Material zu verwenden" auf "wie es zu verwenden" verlagert - wird Diamant-Kupfer für die erste Stufe der Verkapselung (Kühlkappe/Heat Sink), die direkt mit dem Chip in Kontakt kommt, oder für die zweite Stufe der Systemkühlung (Flüssigkeitskühlplatte) eingesetzt?

Technisch gesehen liegt der Kernwert der ersten Stufe der Verkapselung darin, die Temperatur des Chips direkt zu senken, indem es mit dem Chip in Kontakt kommt. Dies erfordert eine sehr hohe Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials und eine gute Qualität der Grenzflächenbindung. Die erste Stufe der Verkapselung erfordert, dass das Material sowohl die Wärme aus dem Kern des Chips schnell ableiten als auch den Spannungsänderungen bei Temperaturschwankungen standhalten kann, um den Chip nicht zu beschädigen. Die Wärmeausgleichsfähigkeit von herkömmlichem reinem Kupfer kann das Problem der lokalen Überhitzung großer SoC-Chips nicht mehr lösen. Die zweite Stufe der Verkapselung konzentriert sich eher auf die Wärmeverteilung auf Systemebene und arbeitet mit der Kühlplatte zusammen, um die gesamte Kühlung zu gewährleisten. Sie ist empfindlicher gegenüber der Verarbeitungsgenauigkeit und der Kostenkontrolle.

"NVIDIA wird möglicherweise eine integrierte Lösung aus erster und zweiter Stufe der Verkapselung anwenden", sagte Huatai Electronics aus Sicht der Branchenlieferkette. Die integrierte Innovation der ersten und zweiten Stufe der Verkapselung ist die endgültige Richtung, aber derzeit muss das Prinzip der gemeinsamen Optimierung von Kosten und Leistung befolgt werden.

Es ist bekannt, dass NVIDIA versucht, Mikrokanäle auf Siliziumscheiben herzustellen und plant, die Diamant-Kupfer-Kühlkappe ebenfalls in Mikrokanalstruktur zu fertigen, um ein integriertes Design von "Chip - Kühlkappe - Flüssigkeitskühlung" zu realisieren. Diese integrierte Lösung ist eine umfassende Optimierung des herkömmlichen CoWoS-Verkapselungskühlsystems: Das herkömmliche CoWoS-Verkapselungssystem hat Wärmeübertragungsmaterialien (TIM1, TIM2), und zwischen dem Siliziumchip und der Kühlflüssigkeit ist eine Abdeckplatte vorhanden, was den Wärmewiderstand erheblich erhöht und die Kühlleistung der Kühlplatte für die heißen Stellen des Chips einschränkt. Das integrierte Siliziumscheiben-Direktkühlungssystem hingegen eliminiert direkt die Barriere zwischen der Kühlflüssigkeit und der Siliziumscheibe, indem es Mikrokanäle auf der Rückseite des Siliziumchips ätzt und die Diamant-Kupfer-Mikrokanalabdeckplatte mit der Verkapselung dicht verbindet, und ermöglicht so eine effiziente Kühlung mit höherer Wärmestromrate. Die Komplexität des Lötprozesses und die Wartbarkeit des Chips könnten jedoch die Schlüsselherausforderungen sein, die zu überwinden sind.

Huatai positioniert sich am vordersten Rand der KI-Kühlung,

und skizziert ein ganzheitliches Kühlungsbild

Im Hinblick auf NVIDIAs mögliche technologische Richtung hat Huazhi New Materials, eine Tochtergesellschaft von Huatai Electronics, bereits eine "zweispurige" Strategie entwickelt und sich in die Phase des Probenversands an Kunden und der Leistungsprüfung begaben, was ihm einen deutlichen Vorsprung verschafft hat.

Bei der ersten Stufe der Verkapselung hat Huatai Electronics die entscheidenden Simulationsprüfungen abgeschlossen, und die Ergebnisse zeigen, dass Diamant-Kupfer gegenüber reinem Kupfer deutliche Vorteile hat. Auf der Verarbeitungsebene hat es eine gezielte Lötlösung entwickelt. Durch die lokale Metallisierung des Diamant-Kupfers und die Verwendung von Weichlot zur Verbindung mit der Rückseite des Chips kann die Kernwärme schnell abgeleitet werden. Huatai Electronics betont, dass diese Lösung das Problem der lokalen Überhitzung großer Chips effektiv lösen und eine schnelle und gleichmäßige Wärmeleitung gewährleisten kann.

Bei der zweiten Stufe der Verkapselung hat Huatai Electronics eine praktikablere Lösung der lokalen Einbettung vorgeschlagen: Diamant-Kupfer-Material wird in Bereichen mit hoher Wärmestromdichte eingebettet, und dann wird die Wärme über die Mikrokanäle der Flüssigkeitskühlplatte auf das gesamte System verteilt. Dieses Design berücksichtigt sowohl die Leistungssteigerung als auch die Kostenkontrolle und ist der zentrale Optimierungspfad für die zweite Stufe der Kühlung.

Quelle: ReportThinking

Als ein Unternehmen, das seine Karriere mit der Funkfrequenztechnik begann, hat Huatai Electronics die Entscheidung, sich auf Diamant-Kupfer zu konzentrieren, aus seiner langjährigen Prozessentwicklung und seiner genauen Einschätzung der Marktbedürfnisse abgeleitet.

Es ist bekannt, dass Huatai Electronics' Diamant-Kupfer-Geschäft zunächst auf die erste Stufe der Wärmesenke von Hochleistungs-RF-Leistungsverstärkern (PA) konzentrierte. Damals begannen die Siliziumkarbid-basierten Galliumnitrid-Bauelemente mit der Serienproduktion in kleineren Mengen, und die herkömmlichen Kühlungsmaterialien konnten nicht mehr den hohen Kühlanforderungen dieser Bauelemente gerecht werden. Huatai war der erste, der Diamant-Kupfer in diesem Bereich einsetzte. Genau die strengen Anforderungen der RF-PA an die Kühlung haben Huatai gezwungen, seine Kerntechnologien in der Grenzflächenmodifizierung, Oberflächenbehandlung und Präzisionsverarbeitung von Diamant-Kupfer zu entwickeln. Es hat eine Vielzahl von Produktlinien aufgebaut und mehrere Kernpatente angemeldet.

Huatai Electronics erklärte: "Unser Entwicklungspfad geht von konkreten Bedürfnissen aus und erweitert sich schrittweise auf verschiedene Anwendungsbereiche. Zunächst konzentrierten wir uns auf die erste Stufe der Wärmesenke von Hochleistungs-RF-Leistungsverstärkern, dann erweiterten wir uns auf die Kühlungskappen von Digitalchips und schließlich auf die Wasserkühlplattenlösung für die zweite Stufe der Wärmesenke. So haben wir eine vollständige technologische Entwicklungskette aufgebaut."

Heute hat Huatai Electronics mit seiner Kerngesellschaft Foshan Huazhi New Materials Co., Ltd. ein Kühlungsmaterialportfolio geschaffen, das alle Anwendungsbereiche von niedrig bis hochwertig abdeckt. Das Produktangebot umfasst nicht nur nicht-isolierende Kühlungsmaterialien wie Molybdän-Kupfer, reines Kupfer und Diamant-Kupfer, sondern auch isolierende Wärmeleitmaterialien wie Siliziumnitridkeramik. Gleichzeitig beherrscht es Kernprozesse wie Metall-Diffusionslöten, CPC-Prozess und Mikrokanalverarbeitung und hat die gesamte Kette von der Materialforschung bis zur Prozessumsetzung abgedeckt.

Insbesondere in der Diamant-Kupfer-Branche hat es entscheidende Durchbrüche erzielt. Durch die doppelte Behandlungstechnologie der Oberflächenmetallisierung und der Kupfermatrixlegierung hat es die Wärmetransporteffizienz an der Grenzfläche des Materials erheblich verbessert. Die Wärmeleitfähigkeit seiner serienmäßig hergestellten Diamant-Kupfer-Produkte liegt stabil bei etwa 800 W/(m·K), und es verfügt über ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit. Das gesamte technologische Niveau befindet sich in der Spitzengruppe in China, und es ist eines der ersten Unternehmen in China, das die Serienproduktion und die kommerz