芯片直冷
3秒看懂
芯片直冷是把冷板直接贴合到芯片（CPU、GPU、ASIC）表面，通过循环冷却液将热量带走的液冷技术。当AI芯片功耗突破风冷极限后，它成为高密度服务器的主流散热方案。
3分钟产业解释
随着AI训练和推理芯片（如NVIDIA H100/H200/B200、AMD MI300X）热设计功耗（TDP）从300 W向1000 W甚至更高量级攀升，传统热管+高转速风扇组合在噪声、散热密度和能效上的天花板已充分暴露。芯片直冷（冷板式液冷）通过微通道、射流或多孔介质冷板贴合芯片，让去离子水或专用介电液体在封闭流道内循环，以远低于风冷散热器的总热阻（低于0.05 K/W）带走数百瓦甚至上千瓦的热量。
整个系统由冷板、热界面材料（TIM）、快接头、分集水器、二次侧管路、CDU（冷量分配单元）和外部冷却环路构成。CDU负责精准控制二次侧冷却液的温度、流量和压力，将其维持在芯片结温安全范围，同时避免低于露点造成冷凝。外部冷源多采用冷却塔或干冷器，全液冷基础设施能将年均PUE推至1.1以下，先进案例可达1.05以下。相比浸没式液冷，直冷方案无需完全浸泡主板，改动小、维护简便，已成为AWS、Azure、Google Cloud、阿里云、字节跳动等超大规模数据中心部署AI训练集群的首选液冷路线，并被OCP（Open Compute Project）纳入标准化推进计划。
技术原理
芯片直冷的核心是建立一个低热阻、高效换热的封闭回路。热量从芯片传递到冷却液的总热阻 R_{total} 可分解为：
R_{total} = R_{TIM} + R_{spreading} + R_{convection} + R_{caloric}
其中，R_{TIM} 为热界面材料热阻（依赖TIM导热系数和厚度），R_{spreading} 为热扩散热阻（取决于冷板基底厚度和材质），R_{convection} 为对流热阻（由流道结构、流速和流体物性决定），R_{caloric} 为流体吸热升温引入的热阻。
单相对流换热遵循：
Q = dot(m)\,c_p\,\Delta T \quadtext(且)\quad Q = h\,A\,(T_{wall} - T_{fluid})
dot(m) 为质量流量，c_p 为比热容，h 为对流换热系数，A 为有效换热面积。微通道技术通过将水力直径缩至百微米量级，大幅增加比表面积，从而在紧凑空间内获得极高的 hA 值，但相应增加了流阻（压降通常控制在10–20 kPa）。系统设计目标是在给定流量和允许压降下，使 R_{total} < 0.05\ mathrm(K/W)，以保证在冷却液供水温度32 ℃时，芯片结温 T_j 低于85 ℃的安全阈值（行业典型目标，具体取决于芯片厂商规格）。
两相直冷则利用低沸点介电流体在冷板微通道内发生核态沸腾，吸收气化潜热。沸腾时，对流换热系数 h 急剧上升，可在同等温差下带走更多热量，并可有效抑制芯片热点（局部热流密度超过500 W/cm²）。但两相系统需精确管理蒸汽回流、避免局部干涸，同时对系统压力和工质充装量敏感。
CDU (板式换热器+泵)
│
二次侧供水总管 (18 ~ 32 ℃)
│
┌──────────┴──────────┐
│ │
快速接头 (支持热插拔) 分集水器
│ │
▼ ▼
┌─────────┐ 管路 → 冷板 (铜/铝镀镍)
│ 冷板 │ │ 微通道/射流结构
│ │ │ 出水口
└────┬────┘ └───→ 回液管 → CDU回水
TIM (导热膏/铟箔)
┌─────────┐
│ 芯片 │
│(GPU/CPU)│
└─────────┘
关键参数
- 解热能力：单相冷板可稳定支持300 W–1000 W TDP，下一代产品设计目标1200 W以上（公开资料未见统一行业标准，数值来源于主流服务器厂商参考设计）。
- 总热阻：设计目标通常低于0.05 K/W，高性能微通道产品可低至0.03 K/W（来源：CoolIT、Asetek等厂家技术白皮书，2023年）。
- 冷板流阻（压降）：在设计流量（约0.5–2.0 L/min）下，冷板压降约5–20 kPa，需与CDU泵扬程匹配。
- 冷却液供水温度：由CDU精确控制在18–32 ℃（典型值），下限不能低于当前环境露点，上限受芯片结温规格限制。
- 冷却液品质：去离子水电导率 < 1 μS/cm，pH 6.5–8.0，含缓蚀剂与杀菌剂，避免微生物滋生和冷板腐蚀。
- 快接头可靠性：支持热插拔次数 > 10,000 次（典型值），泄漏检测系统响应时间 < 1 秒。
- 系统PUE：全液冷架构可实现年均PUE < 1.10，最优案例可达1.05以下（来源：OCP液冷案例分享，2023年）。
- TIM导热系数：常用导热膏约4–10 W/(m·K)，铟箔等金属界面材料可达80 W/(m·K)以上。
- 单机架功率密度：单相冷板方案可支持单机架30–50 kW以上，配合行级CDU可扩展至100 kW（来源：Vertiv、Schneider Electric参考架构，2024年）。
技术路线
| 特性 | 单相冷板直冷（当前主流） | 两相冷板直冷 | 浸没式液冷（对比参照） |
|---|---|---|---|
| 散热能力 | 约100–300+ W/cm²（取决于微通道设计） | 可超过500 W/cm²（相变强制对流） | 单相浸没自然对流<20 W/cm²；两相浸没约100–150 W/cm² |
| 热阻（典型） | <0.05 K/W | <0.03 K/W | >0.2 K/W |
| 系统复杂度 | 管道、CDU、防漏系统 | 需蒸汽管理、压力控制 | 全密封箱体，维护困难 |
| 对服务器改造 | 小，仅替换散热器 | 小，需兼容两相工质 | 大，需移除风扇并定制机箱 |
| 冷却工质 | 去离子水/丙二醇溶液 | 低沸点介电液（如3M Novec、Chemours Opteon等） | 介电液 |
| 生态成熟度 | 成熟，OCP标准化推进中 | 新兴，仅少数供应商试产 | 生产就绪但成本高 |
| 主要限制 | 高功率密度下需优化微通道流阻 | 工质环保法规（PFAS限制）、成本、寿命 | 设备成本高、机房承重及消防改造 |
注：表中数值为行业公开范围，具体性能受到冷板设计、流量、工质种类和芯片封装形式影响。
上游
冷板及关键零部件
- 冷板设计与制造：Cooler Master、Boyd Corporation、Asetek、Auras、CoolIT Systems、曙光数创、英维克、高澜股份、通快。
- 热界面材料（TIM）：信越化学、Henkel、Parker Lord、Laird（DuPont）、贝格斯、飞荣达、中石科技。
- 快速接头：Stäubli、Parker Hannifin、Swagelok、华鲲振宇、通快等。
- CDU与泵阀：Vertiv、Schneider Electric、CoolIT、Motivair、华为数字能源、维谛技术、申菱环境、依米康、同飞股份。
- 冷却液：3M（Novec系列）、Chemours（Opteon系列）、Solvay、润禾材料、巨化股份等；去离子水系统由水处理厂商配套。
核心设备
- CDU（冷量分配单元）：集成板式换热器、循环泵、过滤器、膨胀罐和控制器，是液冷系统的心脏。
- 外部冷源：闭式冷却塔、蒸发冷或干冷器，供应商包括BAC、Evapco、良机等。
下游
- 超大规模云服务商：AWS、Microsoft Azure、Google Cloud、阿里云、腾讯云、字节跳动，在AI训练集群中大规模采用。
- AI厂商及算力租赁：CoreWeave、Lambda Labs、国内智算中心（如北京智源、上海智算等）。
- 企业高性能计算（HPC）：金融量化、生命科学、气候模拟、EDA等领域自建液冷机房。
- 电信与边缘计算：运营商（中国移动、中国电信、中国联通）在算力网络节点部署液冷服务器。
- 信创与政务云：受PUE考核政策驱动，国产芯片服务器配套冷板液冷。
受益公司
以下列举产业链相关企业，只做产业映射，不构成任何投资建议。
- 国际：CoolIT Systems（被KKR收购，2023年）、Asetek（OSE、Nasdaq Copenhagen上市）、Vertiv（NYSE: VRT）、Boyd（私有）、Cooler Master（私有）、Wieland（通过收购Boyd部分冷板线）。
- 国内上市公司（按代码排序）：
- 曙光数创（872808.BJ）：冷板及CDU核心供应商，2023年营收9.32亿元（来源：公司2023年年报）。
- 英维克（002837.SZ）：提供冷板式液冷全链条产品，2023年营收35.29亿元，其中液冷相关收入未单独披露，年报中强调液冷业务快速增长。
- 高澜股份（300499.SZ）：为服务器冷板提供液冷解决方案，2023年液冷相关收入占总营收比重逐步提升（年报）。
- 依米康（300249.SZ）、申菱环境（301018.SZ）、同飞股份（300990.SZ）：提供液冷CDU及温控设备。
- 飞荣达（300602.SZ）、中石科技（300684.SZ）：TIM及散热材料供应商。 注：以上财务数据均来源于各公司年度报告，统计口径为该公司整体收入，液冷业务分拆数据公开资料未见独立披露。
市场规模
- 全球：据MarketsandMarkets报告《Data Center Liquid Cooling Market – Global Forecast to 2028》（2023年发布），2023年全球数据中心液冷市场规模约31亿美元，预计2028年将达到78亿美元，复合年增长率（CAGR）约20.2%。口径包含冷板式、浸没式及相关服务，直接芯片冷却占主要份额（具体份额公开资料未见独立拆解）。
- 中国：根据赛迪顾问《中国液冷数据中心市场研究报告》（2023年），2022年中国液冷数据中心市场规模约560亿元人民币，预计2025年将超过1200亿元，增速显著高于全球平均。其中冷板式液冷渗透率持续提升，受“东数西算”政策要求PUE<1.25驱动明显。
- 出货量参照：IDC（2024年6月）报告指出，2023年全球液冷服务器出货量达到165万台，同比增长超80%；2024年预计将突破280万台。液冷渗透率在全新部署的高端AI服务器中已超过50%（来源：IDC《Worldwide Quarterly Server Tracker》，2024Q1）。
- 注意：以上数据均为研究报告预测值，实际结果可能因技术路线和宏观环境而变化，不构成预测承诺。
玩家对比
（选取代表公司，仅作产业特征对比，不带任何价值判断）
| 企业 | 主业类型 | 冷板技术路线 | CDU能力 | 快接头 | 客户群参考 | 2023年业绩（来源：年报） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CoolIT Systems | 全栈液冷 | 微通道单相冷板，研发两相 | 自研机架级CDU | 自研 | CoreWeave、多家OEM | 2023年被KKR收购，此前收入数亿美元（公开资料未见精确值） |
| Asetek | 冷板与解决方案 | 微通道、射流冷板 | 与OEM合作CDU | 无 | 超大规模DC、HPE等OEM | 2023年数据中心液冷业务约2.1亿美元（公司年报） |
| Vertiv | 基础设施 | 整合冷板 | 提供CDU及整机架方案 | 外购 | 全球运营商 | 全年营收73.1亿美元，液冷占比未单独披露 |
| 曙光数创 | 冷板、CDU | 微通道冷板+多形态CDU | 自研CDU，支持大冷量 | 合作开发 | 国内运营商、智算中心 | 2023年营收9.32亿元（年报） |
| 英维克 | 精密温控 | 冷板、两相均布局 | 有CDU产品线 | 无 | 互联网、运营商 | 2023年营收35.29亿元，液冷列入战略业务 |
| 华为数字能源 | 基础设施 | 自研冷板+CDU | FusionCol系列 | 自研快接头 | 国内政企、运营商 | 未单独上市，液冷收入未公开 |
以上信息来源于公开年报及企业官网，部分非上市企业数据公开资料未见，无法完整量化对比。
风险
- 标准不统一：冷板尺寸、快接头界面、CDU协议尚未形成行业强制统一标准，OCP虽在推进，但各服务器ODM仍存在异构设计，导致互操作性风险和库存成本。
- 环保法规冲击：PFAS（全氟和多氟烷基物质）限制法规（如欧盟REACH修订案）可能禁止部分氟化冷却液的使用，直接冲击两相冷板和浸没液冷，单相冷板也可能受波及。3M已于2022年宣布退出PFAS制造，计划2025年底前停止所有氟化液生产，迫使供应链向替代工质转型。
- 专利壁垒：微通道结构、射流阵列、快接头密封等核心技术专利集中在少数先发企业，国内厂商出海可能面临知识产权风险。
- 成本波动：铜、铝等原材料价格波动影响冷板制造成本；高精度微通道加工（如光刻、电铸）产能有限。
- 竞争加剧与利润率压力：液冷赛道吸引大量新进入者，冷板价格持续下行，单纯提供模块化冷板的厂商利润空间被压缩，系统集成商和提供运维服务的厂商护城河更宽。
- 运维能力不足：液冷系统需要具备流体力学、电化学和自动化知识的运维工程师，数据中心现有运维团队转型存在人力瓶颈。
- 技术路线不确定性：两相冷却若在工质和成本上取得突破，可能侵蚀单相冷板市场；同时芯片级嵌入式冷却等下一代技术长期可能颠覆现有架构。
误读纠偏
- 误读：“芯片直冷就是把服务器泡在水里” 纠偏：直冷是冷板贴合芯片，冷却液在冷板内部密闭循环，不接触电子元件。真正的浸泡式冷却为浸没式液冷，两者结构截然不同。
- 误读：“用了芯片直冷，风扇可以全部拆除” 纠偏：数据中心中，电源模块、存储、网卡、扩展I/O等仍需空气冷却，因此多采用液冷+风冷混合方案，冷板只覆盖主要计算芯片。服务器内部依然保留低转速风扇辅助散热。
- 误读：“液冷一旦漏水，服务器瞬间烧毁” 纠偏：商用冷板系统采用正压运行，搭配高可靠性快速接头（可承受数万次插拔），泄漏率极低。冷却液为去离子水或非导电介电液，微量泄漏不会立即导致短路。泄漏检测系统可在数毫秒内报警并关断。
- 误读：“单相冷板只适合中低功率，高功率必须用两相” 纠偏：通过微通道优化，单相冷板已广泛支持1000 W级芯片，下一代设计瞄准1200 W+。两相冷板在更高功率和热点抑制上有优势，但并非唯一路径。
- 误读：“液冷会大幅增加机房重量和复杂度” 纠偏：冷板式液冷增加的系统自重有限（主要为CDU和少量管路），机房承重要求通常低于浸没式。对现有架构改造小，整体实施复杂度可控。
最新事件
- 2024年3月：NVIDIA发布Blackwell平台GPU（B100/B200），TDP高达1000 W，液冷版DGX B200、HGX B200采用直接芯片冷却，液冷成为默认配置之一。NVIDIA同时推出配套液冷参考架构，加速生态链适配。
- 2024年4月：CoolIT Systems宣布为CoreWeave大规模AI集群部署新一代高密度单相冷板，单机架功率达70 kW。
- 2024年5月：英特尔发布Gaudi 3 AI加速器，TDP约900 W，合作伙伴包括Supermicro、HPE推出直接冷板液冷方案。
- 2024年6月：中国电信发布《液冷技术白皮书（2024版）》，要求新建AI智算中心液冷比例超过80%，并给出冷板式液冷规模化部署时间表。
- 2024年7月：欧盟化学品管理局（ECHA）公布PFAS限制草案公众咨询结果，预计部分关键氟化液将在2026年前后受到严格限制，影响两相和浸没冷却工质，推动无PFAS冷却液研发。
- 2024年8月：曙光数创发布年报后披露新一代40 kW单机架微通道冷板，并开始向海外超大规模数据中心送样。英维克宣布中标某互联网巨头数千套液冷机柜项目，液冷业务进入放量通道。
- 2024年9月：OCP Global Summit上发布新版冷板式液冷标准草案，首次统一了快接头尺寸和电气接口，有望降低多供应商互操作成本。
跟踪指标
- 主流AI芯片TDP：NVIDIA、AMD、Intel、华为昇腾等发布的下一代芯片功耗上限，是液冷需求的前置信号。
- 液冷服务器出货量及渗透率：IDC、Gartner发布的季度服务器追踪数据中的液冷占比。
- 关键零部件价格：铜、铝、TIM原材料价格指数；快接头、冷板加工产能利用率。
- CDU及冷板供应商营收增速：如Asetek季报、曙光数创、英维克等液冷业务增速。
- PFAS法规进展：欧盟REACH修订案、美国EPA相关法规动态，影响冷却液可用性。
- 标准演进：OCP Advanced Cooling Solutions工作组发布的规范版本。
- PUE与水资源限制：各地区PUE监管红线收紧（如新加坡<1.3），以及缺水地区对蒸发冷却的限制，推动液冷采用。
- 新工质研发与量产：无PFAS介电液（如3M替代品、Chemours新一代工质）的商用进度。
- 大型智算中心中标与投运：国内三大运营商及互联网企业液冷集采项目规模与中标份额。
- 专利诉讼与授权：微通道、快接头等核心专利的动态，影响进入者成本。
信源
- OCP Advanced Cooling Solutions – 冷板式液冷标准化文档。
- NVIDIA Data Center Liquid Cooling – 官方冷却方案
- Intel Liquid Cooling Reference Design – https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/liquid-cooling-solutions.html
- 《Data Center Liquid Cooling Market – Global Forecast to 2028》 – MarketsandMarkets, 2023.
- 《中国液冷数据中心市场研究报告》 – 赛迪顾问, 2023.
- IDC Worldwide Quarterly Server Tracker, Q1 2024.
- Asetek 2023 Annual Report – https://ir.asetek.com
- 曙光数创 2023 年年度报告 – 北交所披露文件。
- 英维克 2023 年年度报告 – 深交所披露文件。
- CoolIT Systems 官方公告及新闻稿 – https://www.coolitsystems.com/news/
- 3M PFAS 战略更新 – https://news.3m.com
- 中国电信《液冷技术白皮书（2024版）》 – 中国电信研究院。
- ECHA PFAS 限制提案 – https://echa.europa.eu
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