乘风破浪，未来可期：液冷数据中心发展步入快车道
近几年来中国数据中心产业快速发展，主流数据中心单机柜功率持续提升，液冷技术因其在散热效率及适用功率等方面的明显优势，逐步应用于高密度数据中心中。当前国内液冷技术以冷板式及浸没式为主，冷板式液冷主要应用于一般高密度数据中心领域，而浸没式液冷主要集中应用于超高密度数据中心领域。国家政策支持液冷先进数据中心发展，但液冷数据中心技术存在一定壁垒，成本也处于较高水平，是目前应用推广的主要难点。受政策引导及需求推动影响，液冷数据中心未来呈现规模化、产业化、标准化的高质量发展趋势。
一. 双碳战略背景叠加高密算力需求，驱动液冷市场规模扩大
“双碳”战略背景下，加快推进数据中心节能降碳势在必行。2022年中国数据中心用电量已达611亿千瓦时，占全社会用电量的0.71%。在传统数据中心的电力消耗中，制冷空调系统占比最大，通常为30%~50%。
2021年以来，中央和地方政府不断出台政策，管控数据中心PUE。工信部提出到2023年底，新建大型及以上数据中心PUE降到1.3以下；北京市2023年首个通过能评的数据中心项目，PUE值已经降至1.15以下。未来数据中心行业PUE限制会更加严格和精确，制冷系统节能改造迫在眉睫。液冷技术可以显著降低耗电量，有利于减少数据中心碳排放。
此外AI、云计算等应用带来大量高通量计算业务，高算力芯片的引入加速服务器、数据中心向高密趋势演进。摩尔定律决定了芯片性能越强，晶体管数量越多、功耗越高；与此同时，随着先进封装工艺的推进，对于散热的要求更加严格，风冷散热已经达到极限。液体吸热能力更强，导热性能是空气的15~25倍，更适合于高热密度的散热。
2022年，中国液冷数据中心需求规模达399亿元，增速保持在40%以上。未来随着液冷数据中心相关技术标准逐步完善，商用进程不断加快，液冷数据中心渗透率将持续提升，预计到2025年达到1336亿元，三年复合增长率超50%，高于服务器及数据中心市场增速。
图表1：中国液冷数据中心需求规模（亿元）
数据来源：科智咨询
二. 当前冷板式液冷技术成熟度高，未来浸没式液冷成为主流
根据冷却原理及当前研究成果，液冷技术主要存在冷板、喷淋和浸没三种技术路线。
1. 冷板式液冷
冷板式液冷系统中，CPU等高密度散热原件一侧紧贴板式换热器，将热量传导至板内绝缘介质或可相变热管中实现冷却。冷板式液冷方案中冷却液不与发热设备直接接触，且系统中其他低热密度元件仍采用风冷散热方式。冷板式液冷系统的安装维护与常规风冷系统基本一致，运维难度相比风冷并无明显提升，目前应用最为广泛。
图表2：冷板式液冷链路图
信息来源：公开资料整理
2. 喷淋式液冷
喷淋式液冷系统中，喷管将冷却液喷淋到发热元件上，冷却液吸收热量后通过换热器与外部环境进行换热，达到散热的效果。喷淋式液冷系统集成度高、散热效率强、节能、噪声小，是数据中心散热问题的有效解决方案之一。但喷淋式液冷系统容易出现喷淋板流量不均匀的问题，同时也无法很好地应对随处理器运行效率变化发热量也不断变化的状况。
图表3：喷淋式液冷链路图
信息来源：公开资料整理
3. 浸没式液冷
浸没式液冷系统的IT设备直接浸没在绝缘冷却液中，依靠冷却液带走发热元件产生的热量，再通过水循环将热量向外传递。根据冷却液是否发生相变，浸没式液冷分为单相浸没式液冷和两相浸没式液冷。单相浸没式液冷系统设计简单，冷却液容纳更易实现，材料兼容性更强，流体中污染物顾虑更少；两相浸没式液冷系统将IT设备产生的热量直接传递给绝缘冷却液，依靠冷却液的相变过程及流动循环将设备运行产生的热量带走。
相比于冷板式液冷系统，浸没式液冷具有更低的对流热阻和传热系数，同时，与发热元件直接接触的冷却液热导率和比热容更高，制冷效率更高。浸没式液冷系统不使用风冷，整体耗电可降低10%以上。
图表4：浸没式液冷链路图
信息来源：公开资料整理
目前冷板式液冷技术成熟，在液冷市场占据超70%的份额。浸没式制冷效率更高，是各厂商目前的研发重点。预计随着技术的不断成熟，浸没式液冷将成为更主流的解决方案。
图表5：冷板式、喷淋式、浸没式技术指标对比
国内外部分企业早已开始布局浸没式液冷技术。英特尔围绕浸没式液冷面临的材料兼容性、电气信号完整性、芯片散热特性、服务器系统散热特性、服务器及机柜结构设计等课题，与阿里巴巴深入合作，从处理器定制和服务器系统开发与优化着手，突破芯片功耗墙功耗和冷却两大影响算力提升的关键问题，使得液冷服务器在阿里巴巴数据中心成功大规模部署，2018年建成首个互联网液冷数据中心，2020年投产首个5A级绿色液冷数据中心，每年节省电能至少达千万级的同时，服务器系统故障率相比风冷服务器下降约53％。
三. 国内液冷产业链不断完善，技术优化进一步提高冷却效率
液冷服务器本身需要特殊定制，各生产厂商之间存在一些排他性，因此客户在实际使用过程中，普遍面临一定的适应性问题；关键材料方面，目前已有的换热介质生产技术均掌握在欧美国家，如3M公司的（FC7100介质）。开发自主产权的高效冷却液是我国解决浸没式液冷技术的研究重点，是重要的“卡脖子”技术。
当前三种液冷技术均存在一定优化路径：冷板式液冷需要扩大冷板散热范围，降低风冷辅助散热的比例；同时选用高效风冷散热系统，进一步降低冷板式液冷数据中心散热PUE。浸没式液冷需要提高系统稳定性及维护便利性，同时降低初投资。喷淋式液冷需要提高单机柜散热能力，解决冷却液逸散问题，进一步优化系统，提高系统成熟度，同浸没式液冷一致，冷却液与服务器部件的兼容性需要持续验证。
随着应用研究的持续深入和工程实践经验的不断积累，数据中心液冷技术在高性能、高密度、节能减排、余热回收上的优势会愈发凸显，为数据中心行业碳中和贡献更大力量。
四. 应用成本高是液冷技术推广一大难点，未来成本有望下降
当前建设液冷数据中心只能全面委托液冷技术专业团队进行数据中心的设计，增加了设计成本；我国液冷技术的规模化发展水平较低，整个行业并未实现产业化生产，单个零部件的生产与采购成本偏高，增加了建设成本；液冷技术的运维模式与传统风冷技术有较大不同，所以在运用该技术之后可能会进一步增加整个项目的运维成本。
技术优化与标准制定是液冷应用成本有效控制的关键。液冷行业产业化程度提升、产业链企业完善可推动上游原材料稳定供应，行业标准出台展示关键部件及技术研究进展，共同推动其标准化，进而降低设计与运维成本。
随着国家“双碳“战略的实施，高密算力需求驱动液冷数据中心不断成熟，推广液冷技术应用落地正当时。当前我国数据中心液冷技术还缺乏成熟完善的设计建设规范和测试验收规范，需要通过产品级、系统级和项目级的测试验证，为液冷数据中心提供全生命周期的标准化指引，助力液冷技术能效和可靠性提升。未来，液冷技术将进一步助力数据中心产业绿色化发展。