液冷显著降低数据中心 PUE，政策端+需求端双重驱动
思瀚产业研究院    2024-05-30

1.数据中心耗电量巨大，节能存在较大优化空间，政策端驱动推动行业发展

近年来随着 5G、物联网、云计算、AI 等数字化技术的发展，数据计算量呈现井喷式增长，配套的数据中心与通信基站投资及建设力度也不断加大。随着数据中心规模不断增大，耗电量也随之剧增。

根据国家能源局数据，2022 年我国数据中心耗电量达 2700 亿千瓦时，能耗约占全国总用电量的 3.1%，足以满足上海、深圳两座超大型城市的全年用电需求。IDC 预计到 2024 年我国数据中心耗电量将占到全社会耗电量的 5%以上。

中国能源报预计到 2030 年全国数据中心耗电量将接近 4000 亿千瓦时，数据中心减排迫在眉睫。中国电子学会副秘书长洪京一在“算力-电力联合调度促进数据中心绿色发展研讨会”上表示，“一方面，数据中心用电量大、用电负荷高，在‘双碳’目标下减排任务重；另一方面，新型电力系统建设需要云计算、5G 等高科技支撑，算力调度在提高可再生能源电力应用比例、降低用能成本、增强电网安全等方面具有重要意义。”

全国 PUE 要求趋严，数据中心温控设备需求将不断提升。2022 年 2 月，国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合印发通知，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等 8 地启动建设国家算力枢纽节点，并规划了 10 个国家数据中心集群。按照全国一体化数据中心建设要求，东部数据中心集群平均 PUE 值小于 1.25，西部则小于 1.2，同时数据中心平均上架率不低于 65%。

2022 年8 月 22 日，工业和信息化部、国家发改委、财政部等 7 部门联合印发《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022-2025 年）》，要求到 2025 年，全国新建大型、超大型数据中心电能利用效率（PUE）降到 1.3 以下，改建核心机房 PUE 降到 1.5 以下。2023 年 11月，北京市经济和信息化局发布关于征求《数据中心能源效率限额》北京市地方标准意见的通知。

要求已建成并稳定运行一个自然年以上以及改扩建的数据中心，其 PUE 值应符合1.3 限定值的要求；新建的数据中心，其 PUE 值应符合 1.2 准入值的要求；数据中心管理者应通过节能技术改造和加强节能管理，使数据中心 PUE 值达到 1.15 先进值的要求（标准适用于数据中心中电子信息设备机房使用面积 3000 ㎡及以上或电子信息设备装机总额定功率 5000kW 及以上的数据中心能源效率的计算、控制和考核）。

数据中心耗电量的不断攀升使得节能降耗迫在眉睫，同时各省份低 PUE 政策也对数据中心制冷设备提出了更高的要求，推动了数据中心温控设备需求的提升和产品的不断进步。

2023 年 6 月 5 日，国内三大运营商联合发布《电信运营商液冷技术白皮书》。白皮书提出，当前新型应用日新月异，AI、智算纷纷提前布局，高密、高算力等多样性算力基础设施持续发展。计算型节点、AI 训练、超算等高算力业务需求持续推升芯片性能、功率与服务器功率不断提高，液冷技术利用液体较高的比热容和换热能力可以支撑更高功率散热，正在逐步成为新型制冷需求。

根据《白皮书》规划，2023 年三大运营商开展技术验证，充分验证液冷技术性能，降低 PUE，储备规划、建设与维护等技术能力。2024 年开展规模测试，推进产业生态成熟，降低全生命周期成本，新建项目 10%规模试点液冷技术。2025 年开展规模应用，共同推进形成标准统一、生态完善、成本最优、规模应用的高质量发展格局，2025 年及以后 50%以上项目规模应用液冷技术。

2.AI 行业发展带来芯片功耗与机柜密度不断增加，液冷散热势在必行

AI 行业快速发展加速液冷时代来临。从芯片端看，高算力应用场景不断涌现，AI 芯片迭代加速，芯片功耗逐代提升。Intel、ADM 等主要 CPU 芯片制造商持续提高芯片的散热设计功耗 TDP，主流系列处理器功耗已达 350-400 TDP/W。NVIDIA 的 H100 GPU 最大功耗可达 700W，B200 性能升级算力较 H100 提升 6 倍，功耗亦有较大幅度提升。预计未来在后摩尔定律时代下，芯片算力与功耗仍将大幅提升。

从机柜端看，根据科智咨询《中国液冷数据中心市场深度研究报告》，数据中心单机柜功率密度将持续上升，6-8kW 及 8kW 以上单机柜功率密度将成为目前新建数据中心的主流选择；存量数据中心为提升市场竞争力也会通过升级改造提高单机柜 IT 负载，预计到 2025年单机柜功率密度将向 20kW 演进。AI 行业快速发展有望加速这一演进进程。

根据 UptimeInstitute 发布的《2022 年全球数据中心调查报告》，以英伟达 DGX A100 服务器为例，其额定功率为 4KW，单机最大功率为 6.5KW，一个标准的 42U 高度的机柜大约可以放置 5个 5U 高度的 AI 服务器，单机柜总功率超过 20KW。

目前数据中心基础设施的制冷方式主要有风冷和液冷两种方式。传统数据中心的散热方式为风冷，即使用空气作为冷媒，对服务器的发热部件进行换热，带走热量的技术。传统风冷技术散热的上限一般为单机柜 20kw。

伴随高密应用场景增加以及 IT 部署密度提升，数据中心需要采用更加高效的散热方式，液冷通过用高比热容的液体取代空气作为热量传输的媒介，直接或间接接触发热器件，散热效率高，能够最大程度满足数据中心高效散热需求。