全網(wǎng)最全不同液冷冷板解析：數(shù)據(jù)中心液冷散熱技術(shù)分類、架構(gòu)與應(yīng)用
發(fā)布時間：2026-03-17
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摘要
數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)新迭代與蓬勃發(fā)展，推動算力需求持續(xù)攀升，數(shù)據(jù)中心能耗隨之呈指數(shù)級增長。在可持續(xù)發(fā)展、“雙碳”目標、新型數(shù)據(jù)中心建設(shè)等政策指引下，數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)正式邁入液冷發(fā)展新階段。本文首先從芯片、設(shè)備、機柜散熱需求，以及機房節(jié)能訴求等多維度，深入剖析液冷技術(shù)落地的必要性與核心優(yōu)勢；其次針對主流液冷技術(shù)方案，從架構(gòu)原理、核心組件、運行邏輯等方面展開全面拆解，并通過散熱能力、節(jié)能效果、維護性、技術(shù)成熟度等維度綜合對比，得出短中期內(nèi)單相冷板式液冷更具應(yīng)用優(yōu)勢的結(jié)論；最后圍繞可靠性、散熱強化、低成本等方向，探討數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的未來研究趨勢。
關(guān)鍵詞：散熱技術(shù)；機房節(jié)能；液冷散熱；冷板式液冷；浸沒式液冷
1 液冷技術(shù)應(yīng)用背景
1.1 節(jié)能政策強力驅(qū)動
數(shù)字技術(shù)的深度演進，推動云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、元宇宙等信息技術(shù)與實體經(jīng)濟深度融合，數(shù)字經(jīng)濟實現(xiàn)高質(zhì)量快速增長。數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟基礎(chǔ)設(shè)施的核心底座，數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長帶動其市場規(guī)模持續(xù)擴容。數(shù)據(jù)顯示，截至2023年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機架總規(guī)模已達810萬標準機架。作為典型的“能耗大戶”，數(shù)據(jù)中心耗電量持續(xù)攀升，總用電量已占全社會用電量的3%。
在此背景下，可持續(xù)發(fā)展、“碳達峰、碳中和”、新型數(shù)據(jù)中心建設(shè)等政策理念落地，國家及地方政府相繼出臺專項政策，對數(shù)據(jù)中心電源使用效率（PUE）提出嚴苛要求。2021年7月，工信部印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021—2023年）》，明確到2023年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE需降至1.3以下，東數(shù)西算樞紐節(jié)點及寒冷地區(qū)力爭降至1.25以下；2021年11月，發(fā)改委發(fā)布《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實施方案》，進一步要求2025年新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.3，國家樞紐節(jié)點降至1.25以下；“東數(shù)西算”八大樞紐節(jié)點更是細化指標，東部地區(qū)PUE目標不超過1.25，西部地區(qū)不超過1.2，能效管控愈發(fā)嚴格。
從數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)來看，制冷系統(tǒng)能耗占比高達24%以上，是輔助能耗中占比最高的部分，因此優(yōu)化制冷方案成為降低數(shù)據(jù)中心PUE的核心抓手。近年來，行業(yè)持續(xù)探索高效制冷技術(shù)，間接蒸發(fā)冷卻、冷板式液冷、浸沒式液冷等方案相繼落地，其中間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可將PUE控制在1.25，而液冷技術(shù)依托液體高導(dǎo)熱、高傳熱特性，可縮短傳熱路徑、高效利用自然冷源，將數(shù)據(jù)中心PUE降至1.1以下，節(jié)能優(yōu)勢突出。憑借綠色節(jié)能特性，液冷技術(shù)也成為國家及地方政策明確鼓勵推廣的核心節(jié)能技術(shù)。
1.2 高散熱需求倒逼技術(shù)升級
算力的持續(xù)增長推動通信設(shè)備性能不斷升級，市場主流芯片功耗與熱流密度同步攀升，當前CPU散熱設(shè)計功耗已達350~500W，AI技術(shù)的普及帶動GPU需求激增，其散熱設(shè)計功耗已突破800W，芯片功率密度的持續(xù)走高，直接制約芯片散熱效率與運行可靠性，也帶動整機柜功率密度大幅提升。
目前，8kW以上單機柜功率密度已成為新建數(shù)據(jù)中心的主流配置，行業(yè)也通過改造升級持續(xù)提升單柜功率，通算場景最大功率密度超30kW/柜，智算場景功率增長更為迅猛，已達100kW/柜，整機柜功率密度的提升，對機房制冷技術(shù)提出了更高要求。傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)受建筑面積、運營成本等因素限制，散熱上限僅為20kW/柜，已難以適配高密度算力散熱需求。而液冷技術(shù)以液體替代空氣作為冷卻介質(zhì)，通過直接或間接接觸發(fā)熱器件實現(xiàn)換熱，散熱效率大幅提升，可有效滿足芯片、單機柜、機房全場景的高散熱需求。
2 液冷技術(shù)分類及架構(gòu)詳解
根據(jù)冷卻液與發(fā)熱器件是否直接接觸，液冷技術(shù)可分為直接接觸式和間接接觸式兩大類：直接接觸式包含單相浸沒式、兩相浸沒式、噴淋式液冷，冷卻液直接與發(fā)熱器件接觸換熱；間接接觸式包含單相冷板式、兩相冷板式液冷，冷卻液通過散熱器間接傳遞熱量。
液冷系統(tǒng)具備通用架構(gòu)，主要分為室外側(cè)與室內(nèi)側(cè)兩部分：室外側(cè)涵蓋室外冷源、一次側(cè)冷卻液；室內(nèi)側(cè)包含冷量分配單元（CDU）、二次側(cè)冷卻液及液冷機柜。其核心運行原理為：二次側(cè)冷卻液在機柜內(nèi)吸收設(shè)備熱量，經(jīng)CDU內(nèi)換熱器將熱量傳遞至一次側(cè)冷卻液，一次側(cè)冷卻液再通過室外冷源將熱量釋放至大氣，完成完整散熱循環(huán)。
其中，室外冷源可選用開式/閉式冷卻塔、干式冷卻器，需結(jié)合場地、氣象、水電條件綜合選型；一次側(cè)冷卻液多采用去離子水、乙二醇/丙二醇水溶液，搭配緩蝕、殺菌、阻垢藥劑使用，選型需兼顧熱物性、地域氣候等因素；CDU分為集中式與分布式，集中式布置于機柜外，為多機柜供冷，便于集中管控，分布式集成于機柜內(nèi)，單機柜對應(yīng)單CDU，功耗匹配度更高。二次側(cè)冷卻液、液冷機柜及內(nèi)部設(shè)備則隨技術(shù)路線不同有所差異，具體分類技術(shù)詳解如下。
2.1 單相冷板式液冷
單相冷板式液冷是當前成熟度最高、應(yīng)用最廣泛的液冷方案，通過液冷板將發(fā)熱器件熱量間接傳遞給冷卻液，二次側(cè)冷卻液在吸熱、放熱過程中不發(fā)生相變。根據(jù)液冷板覆蓋范圍，可分為局部液冷與全液冷：局部液冷僅覆蓋高功耗器件，帶走約70%的設(shè)備熱量，剩余熱量需依托機房空調(diào)、液冷背門風冷散熱；全液冷則針對設(shè)備硬件架構(gòu)定制液冷板，覆蓋全部發(fā)熱器件，散熱效率更高。
該系統(tǒng)核心組件及要求如下：一是二次側(cè)冷卻液，以去離子水、乙二醇/丙二醇水溶液為主，需定期檢測PH值、濁度、殘留物等指標，符合行業(yè)標準；二是單相冷板CDU，分集中式、分布式，集中式需部署管網(wǎng)并優(yōu)化流量分配，分布式免管網(wǎng)部署，適配機柜功耗靈活調(diào)整；三是分液器，負責機柜內(nèi)冷卻液分配與收集，需保障流量均勻，兼顧機柜空間、承重要求；四是液冷板，需結(jié)合芯片功耗、布局定制設(shè)計，兼顧通用性與散熱性能，同時滿足功耗、壓力、流速等指標；五是流體連接器，實現(xiàn)無泄漏通斷，需適配流量、溫度、壓力、安裝方式等參數(shù)；六是液冷管路，需兼顧材料兼容性、流速、管路布局、流量分配；七是漏液檢測傳感器，布置于易泄漏點位，可選用檢測線、光電式、電極式等類型，及時預(yù)警漏液風險。
該技術(shù)對通信設(shè)備、機房基礎(chǔ)設(shè)施改動小，行業(yè)技術(shù)積累深厚，是適配高熱流密度散熱、提升數(shù)據(jù)中心能效、降低TCO的優(yōu)選方案。
2.2 兩相冷板式液冷
兩相冷板式液冷系統(tǒng)架構(gòu)與單相方案相近，核心差異在于二次側(cè)冷卻液在設(shè)備內(nèi)吸熱汽化，在CDU內(nèi)冷凝液化，充分利用相變潛熱散熱，散熱能力可達300W/cm²以上，適配超高熱流密度場景。但因冷卻液相變，系統(tǒng)運行壓力高于單相方案，核心組件需滿足高壓適配要求。
其核心組件特性：二次側(cè)冷卻液選用制冷劑、氟化液等低沸點工質(zhì)，兼顧熱物性、環(huán)保性、安全性、材料兼容性；CDU采用溫控型壓力控制方案，補液系統(tǒng)需考量工質(zhì)充注量對壓力的影響；液冷板需強化承壓能力，通過表面微處理、多孔介質(zhì)填充等方式提升散熱性能；流體連接器優(yōu)選螺紋旋擰式，適配高壓插拔與維護；液冷管路優(yōu)先選用金屬軟管、汽車空調(diào)橡膠管，降低泄漏風險。該技術(shù)散熱優(yōu)勢顯著，但目前成熟度較低，產(chǎn)業(yè)鏈有待完善。
2.3 單相浸沒式液冷
單相浸沒式液冷將發(fā)熱元件完全浸沒于冷卻液中，直接吸收設(shè)備熱量，二次側(cè)冷卻液全程保持液相，分為臥式與立式兩種架構(gòu)。臥式浸沒機柜（TANK）為當前主流，尺寸覆蓋12U~54U，底部配置均流板保障流量均衡，上蓋具備高密封性，減少冷卻液耗散，維護時需開蓋吊裝設(shè)備，復(fù)雜度較高；立式浸沒機柜架構(gòu)接近冷板式，設(shè)備實現(xiàn)板級密封，兼顧浸沒式的節(jié)能優(yōu)勢與冷板式的維護便利性。
該技術(shù)核心組件：二次側(cè)冷卻液選用高沸點、高絕緣、低黏度的氟碳化合物、礦物油、合成油等，保障材料兼容性；CDU適配半開式系統(tǒng)，對循環(huán)泵、過濾、冷卻液監(jiān)控要求更高。單相浸沒式液冷可實現(xiàn)100%無風扇冷卻，機房節(jié)能、靜音效果極佳，但需對設(shè)備材料、器件重新選型做兼容性測試，且冷卻液熱物性較差、流速低，散熱能力受限，一定程度上制約了規(guī)模化推廣。
2.4 兩相浸沒式液冷
兩相浸沒式液冷依托冷卻液相變潛熱散熱，二次側(cè)冷卻液吸熱汽化、冷凝液化循環(huán)往復(fù)，散熱能力遠優(yōu)于單相浸沒式，同樣分為臥式與立式架構(gòu)，現(xiàn)階段以立式為主要研究方向。臥式架構(gòu)中，冷卻液在腔體底部吸熱汽化，蒸汽在頂部冷凝器冷凝回流；立式架構(gòu)將單設(shè)備作為獨立浸沒腔體，規(guī)避冷卻液運維耗散問題，兼容性與維護性更優(yōu)。
其核心組件：二次側(cè)冷卻液選用低沸點氟碳類工質(zhì)，兼顧熱性能、環(huán)保性、密封性；密封殼體實現(xiàn)設(shè)備全密封，優(yōu)化電、網(wǎng)、液接口密封設(shè)計；兩相沸騰散熱器通過界面材料貼合芯片，采用多孔介質(zhì)方案強化換熱。該技術(shù)兼具高節(jié)能、高散熱優(yōu)勢，可適配高功率芯片散熱，但目前仍處于試點階段，密封可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性有待持續(xù)優(yōu)化。
2.5 噴淋式液冷
噴淋式液冷屬于直接接觸式液冷，二次側(cè)冷卻液從機柜頂部噴淋而下，精準覆蓋發(fā)熱器件，通過對流換熱實現(xiàn)散熱。該技術(shù)需對機柜、設(shè)備做特殊化設(shè)計，設(shè)備上蓋集成噴淋腔體與噴淋孔，根據(jù)器件功耗、布局調(diào)整噴淋參數(shù)；機柜具備密封性，減少冷卻液飄逸損耗；底部設(shè)置儲液箱，收集吸熱后冷卻液與泄漏液體，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。
二次側(cè)冷卻液采用油基、氟碳類不導(dǎo)電液體，換熱過程無相變。噴淋式液冷可實現(xiàn)100%液冷，PUE優(yōu)于單相冷板式，散熱能力略高于傳統(tǒng)單相浸沒式，是兼顧冷板式節(jié)能性與浸沒式散熱性的折中方案，適配特定高密度散熱場景。
2.6 液冷技術(shù)綜合對比
算力持續(xù)攀升帶動液冷市場需求增長，多條技術(shù)路線并行發(fā)展，各方案適配場景、優(yōu)劣勢差異顯著。其中，單相冷板式液冷應(yīng)用占比超90%，是現(xiàn)階段及未來短中期的主流方案；單相浸沒式液冷技術(shù)逐步成熟，小規(guī)模商用持續(xù)推進；噴淋式、兩相冷板式、兩相浸沒式液冷仍處于技術(shù)完善、生態(tài)構(gòu)建階段，規(guī)模化應(yīng)用尚需時日。
3 數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)發(fā)展展望
當前液冷技術(shù)處于快速發(fā)展期，規(guī)模化應(yīng)用過程中的痛點逐步顯現(xiàn)：冷板式液冷存在水基工質(zhì)泄漏短路風險；單相浸沒式液冷流速低、散熱能力不足，難以適配高端CPU/GPU；液冷系統(tǒng)冷量調(diào)控滯后，節(jié)能收益未最大化；初期建設(shè)成本偏高等，這些問題均制約著液冷技術(shù)的普及。為此，行業(yè)圍繞多維度開展技術(shù)攻關(guān)，推動液冷技術(shù)迭代升級。
3.1 非水冷板式液冷
針對傳統(tǒng)單相冷板式液冷水基工質(zhì)泄漏導(dǎo)電、腐蝕等問題，中興通訊創(chuàng)新性提出非水冷板式液冷方案，將二次側(cè)冷卻液替換為氟碳類、油基不導(dǎo)電液體，從介質(zhì)根源規(guī)避泄漏導(dǎo)電風險，同時保留冷板式液冷的高散熱優(yōu)勢。該方案配合機械防泄漏結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多維度泄漏防護，且大分子冷卻液能大幅降低微生物腐蝕風險。
工質(zhì)更換后，系統(tǒng)需同步優(yōu)化：重新開展材料與冷卻液兼容性測試；改進CDU補液裝置，避免雜質(zhì)、水分進入系統(tǒng)引發(fā)水解腐蝕；更換漏液檢測方式，采用光電式、電容式、吸氣式檢漏儀器，適配非水工質(zhì)特性。
3.2 全液冷冷板
傳統(tǒng)冷板式液冷僅覆蓋核心高功耗芯片，液冷散熱占比60%~80%，節(jié)能收益有限。全液冷冷板技術(shù)針對設(shè)備內(nèi)所有發(fā)熱器件定制散熱方案，覆蓋CPU、內(nèi)存、硬盤、電源等，95%以上熱量通過液冷板帶走，剩余少量熱量通過風液換熱器散熱，實現(xiàn)100%全液冷，PUE可低至1.1，大幅降低機房運營成本。
該技術(shù)液冷部件多、系統(tǒng)復(fù)雜度高，對運維人員專業(yè)性要求高，內(nèi)存、硬盤等可插拔部件的可靠性有待提升，但長期來看，其高效節(jié)能、高散熱的優(yōu)勢，將助力其在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
3.3 單相浸沒強化散熱
針對單相浸沒式液冷流速低、散熱能力受限的痛點，行業(yè)從主動驅(qū)動、架構(gòu)優(yōu)化、冷卻液改良三方面強化散熱：引入封閉風機、微泵等主動部件，提升芯片局部冷卻液流速與湍流程度，強化換熱效率；優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，采用雙回路設(shè)計，適配高功耗器件散熱需求，單節(jié)點散熱能力可達2000W+；研發(fā)納米流體冷卻液，借助納米顆粒高導(dǎo)熱特性提升換熱性能，但目前納米流體存在穩(wěn)定性差、制備難、成本高的問題，仍需持續(xù)優(yōu)化。
3.4 液冷智能溫控技術(shù)
液冷系統(tǒng)耦合性強、控制點位復(fù)雜，傳統(tǒng)調(diào)控模式易造成冷量浪費，節(jié)能效果受限。行業(yè)提出“數(shù)據(jù)+機理”雙驅(qū)AI溫控技術(shù)，將AI算法與暖通熱力學模型結(jié)合，構(gòu)建融合型熱力學模型，既規(guī)避純數(shù)據(jù)模型的成本高、依賴性強、反邏輯控制等問題，又彌補機理模型的建模短板。
該技術(shù)依托DCIM系統(tǒng)，整合影響液冷系統(tǒng)運行的各類因素，構(gòu)建數(shù)字孿生預(yù)測模型，實現(xiàn)全工況精準調(diào)控，既能最大化節(jié)能收益，又能提前預(yù)判極端場景風險，提升運維效率與系統(tǒng)運行可靠性。
3.5 低成本液冷系統(tǒng)
初期投資成本高是制約液冷規(guī)模化推廣的核心因素，中興通訊研發(fā)低成本液冷系統(tǒng)，通過新材料、新工藝應(yīng)用，實現(xiàn)液冷數(shù)據(jù)中心綜合投資成本降低15%以上。核心舉措包括：將液冷板散熱底板由銅材換為鋁合金，非散熱面采用高分子材料注塑成型，取消焊接工藝改用膠圈密封，降低材料與加工成本；將管網(wǎng)、分液器、連接器等部件替換為高分子工程材料，一體式注塑成型，兼顧可靠性與經(jīng)濟性。
3.6 芯片級液冷
芯片制程持續(xù)精進，2.5D/3D封裝、異構(gòu)芯片普及，芯片內(nèi)熱阻占比不斷提升，傳統(tǒng)外部液冷方案難以適配超高功率密度散熱需求，芯片級液冷成為未來核心研究方向。該技術(shù)將微米級流道刻蝕于芯片內(nèi)部，液體工質(zhì)直接從芯片內(nèi)部換熱，大幅降低芯片內(nèi)熱阻與界面熱阻，解決多Die堆疊散熱難題，散熱能力可達300W/cm²以上。
芯片級液冷分為分體式與一體式，目前國內(nèi)外高校、科研機構(gòu)、芯片廠商已開展相關(guān)研究，但技術(shù)成熟度較低，暫無商用案例，未來隨著技術(shù)突破，將成為解決超高功耗芯片散熱的核心方案。
4 結(jié)束語
在數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展與“雙碳”目標的雙重驅(qū)動下，芯片熱流密度攀升、能耗管控趨嚴，成為數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)迭代的核心動力。液冷技術(shù)憑借低能耗、高散熱、低噪聲、低TCO等核心優(yōu)勢，成為破解高密度算力散熱難題、打造綠色低碳數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)，未來隨著產(chǎn)業(yè)鏈完善、技術(shù)持續(xù)升級，將全面主導(dǎo)數(shù)據(jù)中心制冷市場，助力數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展。
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