液冷技术推动温控环节价值攀升
思瀚产业研究院    2024-11-23

液冷解决方案包含多种形式，当前以冷板+浸没式为主

商用初步应用期 (1980s - 2000 年)：液冷技术开始尝试进入计算和电子设备领域，但规模有限。这一时期，液冷技术逐渐成熟，冷板式液冷初具雏形，成为高性能计算机、服务器和一些实验室设备的散热选择。

快速发展期 (2000 年 - 2015 年)：进入 21 世纪后，电子设备的性能和热密度迅速提高，特别是在数据中心和高性能计算领域。

这一阶段液冷技术的安装和维 护成本逐渐下降，设备逐步小型化、模块化，开始在企业级服务器和数据中心中普及。冷板式液冷技术在此阶段逐渐标准化，因其设计灵活且与传统设备兼容性较好， 得到广泛应用。同时，浸没式液冷在一些实验性数据中心中开始试点应用。

多元化与标准化期 (2015 年 - 2024 年)：随着高性能计算需求的激增，液冷技术在高热密度的应用场景中进一步普及，特别是随着人工智能、机器学习和大数据的普及，数据中心和超级计算机对液冷技术需求增加。

冷板式液冷成为主流应用， 尤其在高性能计算和数据中心领域实现广泛部署，已成为许多现代数据中心的标 准技术之一。同时，浸没式液冷在高功率密度的数据中心中得到更成熟的应用，喷射冷却、微通道液冷等创新技术也在特定应用中试点，推动液冷散热的多样化。

未来发展趋势 (2024 年及未来)：绿色数据中心的需求将推动液冷技术的创新，预计更多企业会探索液冷在大规模部署中的可行性。未来液冷技术可能会向自 适应智能化冷却方向发展，通过物联网和人工智能技术实现实时的温度监控和动态调整。冷板式液冷在大型数据中心和云计算领域继续普及；浸没式液冷预计在高功率应用中逐渐被采用；新型智能化液冷技术将有助于推动数据中心和计算系统 向绿色环保方向发展。

冷板式较为成熟，已在数据中心得以广泛应用。冷板式液冷是将冷却液直接导入冷板，冷板与 GPU 直接接触，以带走热量的散热方法。在冷板中，冷却液通过内部的冷却通道流动，与热源表面发生热交换，吸收热量。冷却液流向冷却塔或热交换器，将热量释放到环境中或带到远端，再重新循环至冷板。

在该技术中，液体 冷却介质与发热元器件不直接接触，而是通过高导热性的冷板传递热量，因此冷板 液冷技术又称为间接液冷技术。与浸没式液冷相比，冷板式液冷的冷却液流动在冷 板内部，避免了与电子元件的直接接触，从而降低了漏液的风险，提高了系统的安全性。 浸没式液冷是一种典型的直接接触液冷技术。

目前在我国，浸没式液冷已逐步 进入商用部署阶段。浸没式液冷需要一种绝缘冷却液，确保液体在电子元件周围流 动时不会导电。这些冷却液通常是基于氟化物的非导电液体，或其他绝缘性的合成 冷却剂，确保设备正常运行。

当设备浸没在冷却液中时，冷却液与发热组件接触， 吸收热量。冷却液会在整个设备周围流动，持续带走热量，有效散热。经过热交换后的冷却液会被导入冷却器或热交换器中释放热量，然后再循环回到设备周围。这 种循环系统确保冷却液始终保持较低温度，提供持续高效的散热。有些浸没式液冷 系统采用双相冷却方式，即冷却液在高温下会蒸发，将热量传递给冷凝器后再冷凝 为液态返回系统。这种双相冷却的散热效率更高，适合极高热密度的系统。

海外：龙头加速液冷需求增长与技术革新

GPU 性能迭代加速。随着高性能计算（HPC）和人工智能等计算密集型应用的快速发展，市场对更强大计算能力的需求不断增长，这一趋势带动了硬件功率需 求的显著提升。以英伟达的 GPU 为例，从 2016 年的 P100 到 2020 年的 A100， HPC 性能提高了约 11 倍。

然而，性能提升的同时，设备功耗也急剧上升。以英伟达的主要 GPU 产品为 例：2016 年发布的 P100GPU 的热设计功耗（TDP）为 250W，2017 年的 V100 增加到 300W，而 2020 年的 A100 达到了 400W。2

022 年发布的 H100 GPU 在 性能提升的同时，功耗进一步攀升至 700W，预计于 2024 年发布的 B200GPU， 其 TDP 将达到 1000W，对比 2016 年至最新的 2022 发布的 H100 功耗增长了 180%。我们认为这种逐步增加的功耗反映了计算密集型任务的性能需求，而传统 风冷方案已难以有效应对，液冷技术成为数据中心领域的关键方案。

英伟达逐步推动数据中心的冷却革新。这一趋势带动了冷却技术的不断演 进，从早期的风冷方案到现代的液冷和混合冷却技术。

早期发展阶段（1993-2004 年）：其冷却技术经历了从基本风冷到改进风 冷的过渡。最初，GPU功耗较低，英伟达主要依赖传统风冷散热技术，通过散热 片和风扇组合来满足需求。1999年，随着 GeForce 256 的发布，英伟达引入了 硬件变换和光照功能，被称为“世界上第一款GPU”。这一技术突破使GPU的功 耗和热量显著增加，推动英伟达对风冷系统进行优化，采用更大面积的散热片和 更高效的风扇，以提升散热效率并应对更强的性能需求。

多 GPU 系统，SLI 技术与散热挑战（2004-2010）：2004 年，英伟达推出 SLI（Scalable Link Interface）技术，允许多块 GPU 协同工作，显著提升性能。 然而，多 GPU 布局带来了更高的热量，英伟达在散热设计上进行了改进，包括优 化风道和增加散热片面积。

液冷技术的引入应对高功耗（2022 年）：随着 GPU 功耗的持续上升，传统风 冷逐渐难以满足散热需求。2022 年，英伟达推出了基于 A100 芯片的首款液冷 GPU，采用直接芯片冷却技术，以提升数据中心的能效。

混合冷却方案风冷与液冷结合（2024 年）：维谛与英伟达的专家团队在深圳共同测试并发布了针对 GPU 高密度数据中心的创新制冷方案。实验在配置 VertivTM Liebert® PCW、XDU 液冷装置和 AFC 冷水机组的环境下进行，分析显 示，约 75%的 IT 负载可通过冷板液冷实现有效冷却，这一方案将服务器风扇的用 电量减少了多达 80%，使总体使用效率提高 15%以上。

与传统风冷相比，风液混 合冷却方案在降低 10%年度能耗的同时减少了同等比例的碳排放。此外，维谛还 参与英伟达的 COOLERCHIPS 计划，共同开发集冷板液冷和浸没液冷于一体的混 合冷却系统，该系统可在高达 40°C 环境下支持单机柜 200kW IT 功率，达到更高 的运作效率和更低的碳足迹。

国内：运营商加速推进液冷落地

液冷服务器市场近年来迅速增长，特别是在数据中心和高性能计算领域。根据工业和信息化部发布的《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023 年）》，中国在推动绿色、低碳的数据中心技术应用方面制定了明确的发展目标，以及国际数 据公司（IDC）发布了最新的《中国半年度液冷服务器市场（2023 全年）跟踪》 报告的最新数据，中国液冷服务器市场规模已达到 15.5 亿美元，同比增长 52.6%。

市场中的主流液冷解决方案以冷板式液冷为主，占比高达 95%以上。这种增长背后是计算需求的激增，2023 年市场前 3 大厂商（浪潮、超聚变、宁畅）合计占据 70%的市场份额。这一高速增长背后是不断增加的计算需求，特别是来自人工智 能、5G 及云计算的推动。液冷技术不仅能够提高散热效率，还能显著降低数据中 心的 PUE 值，有助于实现低碳环保的目标。

产业链维度看，上游及下游是液冷解决方案商核心发力点。上游供应链涵盖冷 却液、电磁阀、浸没液冷设备、冷板等核心组件的提供商。全球知名的零部件供应 商，如 3M，在冷却液市场占据了主导地位，全球市场份额超过 90%。

在国内，英维克、新宙邦等公司是主要的核心零部件供应商，此外还有三花智控、TANK、 Manifold 等公司提供液冷系统的关键组件，如电磁阀和冷却设备。中游环节主要 由液冷服务器制造商组成，包括液冷系统的研发、设计和集成。浪潮、超聚变、宁畅和联想等厂商在中国液冷服务器市场中占据重要地位，并积极推进液冷设备的创新研发。 客户主要为互联网，当下资本开支扩张背景下液冷有望进一步受益。

根据 IDC 的市场调研数据，2023 年互联网行业占液冷服务器市场的 46.3%，成为最主要的需求来源。这主要是由于互联网公司对计算能力和节能环保的需求不断增加，液冷 服务器能够帮助其在密集计算场景下有效控制热量，减少能耗。

此外，电信运营商、 金融和政府等行业也在积极引入液冷服务器，以提升数据中心的运行效率。尤其是 人工智能生成内容（AIGC）等新兴应用的快速发展，对计算能力提出了更高要求， 进一步促进了液冷技术的推广。

预计未来几年内，这些行业的液冷服务器需求将继 续保持快速增长。 三大电信运营商推进液冷技术标准化、创新应用与规模试点。自 2012 年起， 中国移动开始在南方基地试点气液双通道冷板液冷技术，并取得年均 PUE 保持在 1.2 以下的成果。

此后，公司逐步在呼和浩特、河北和山东等地应用冷板式和浸没 式液冷技术，进行安全性、节能性等方面的测试。2023 年，中国移动在呼和浩特 的数据中心启动了液冷的大规模试点，旨在通过大规模应用和技术验证，推动液冷 技术的产业化进程，降低数据中心 PUE，并进一步建立完善的产业生态。

中国电信在液冷应用和低碳化研究方面表现突出。2019 年在贵州进行的大容量路由器冷板式液冷研究取得了显著节能效果，PUE 值约为 1.15，并因此获评 “2021 信息通信产业创新贡献奖”。此外，中国电信在多个 5G 基站和数据中心机 房进行了喷淋式和浸没式液冷试点，以有效应对 5G 设备的高热量问题。

2023 年， 中国电信将在京津冀数据中心和安徽等地增加液冷机柜的应用，计划通过大规模 冷板式和浸没式液冷技术的部署，为数据中心的低碳高效运行提供技术支撑。中国联通在液冷技术的基础理论和应用扩展方面积极开展研究。

专注于冷板式液冷的热阻分布、浸没式液冷的结构设计以及芯片散热的液冷适应性，形成了液冷冷却模型的理论基础，在郑州对 5GBBU 设备进行了液冷喷淋试点，PUE 值达 1.254，芯片温度有效降低，延长了设备使用寿命。中国联通计划继续在数据中心 推进液冷应用，提升液冷技术的传热性能与成本效率，以实现更环保、低能耗的运 营模式。

更多行业研究分析请参考思瀚产业研究院官网，同时思瀚产业研究院亦提供行研报告、可研报告（立项审批备案、银行贷款、投资决策、集团上会）、产业规划、园区规划、商业计划书（股权融资、招商合资、内部决策）、专项调研、建筑设计、境外投资报告等相关咨询服务方案