热管理

1 三秒看懂

热管理是保障高算力芯片及电子器件在安全温度下稳定运行的系统工程，涵盖从晶体管结到大气全链路的散热设计与热量输运。在 AI 大模型训练与推理的驱动下，单芯片功耗已突破千瓦级，热管理从“辅助配套”上升为算力释放的核心物理瓶颈，直接决定芯片实际可用性能、数据中心 PUE 及总拥有成本。谁掌握下一代冷却能力，谁就握住了 AI 基础设施的一张关键牌。

2 三分钟产业解释

当每秒执行万亿次浮点运算时，大量电能转化为焦耳热。若无法及时排走，芯片结温会在毫秒级时间内超标，轻则强制降频、算力骤降，重则永久性损坏。热管理本质是全链路的“热量搬运”，覆盖芯片到大气三个层次：

• 芯片级（封装内）：热界面材料（TIM1/TIM2）、导热封装、微流道液冷片，将晶体管热点热量迅速扩散至封装外壳。
• 系统级（服务器/机柜内）：风冷（热管、均温板、翅片）、冷板式液冷、浸没式液冷，将封装热量传递给空气或液体介质。
• 设施级（数据中心/机房）：精密空调、液冷分配单元（CDU）、冷水机组、冷却塔，最终将热负载排放至室外环境。

AI 训练集群的功率密度已突破传统风冷的物理极限，冷板式液冷和浸没式液冷正成为下一代数据中心的标配。产业链价值集中在高导热界面材料、高性能冷板、液冷快接头、CDU 及具备系统方案能力的集成商。

3 技术原理

热管理是多学科交叉的系统工程，其核心是串联热阻的最小化与高效散热面积的构建。

传热路径与热阻网络

热量从晶体管沟道→硅衬底→第一层热界面材料（TIM1）→集成散热盖→第二层热界面材料（TIM2）→散热器（或冷板）→流体→室外环境。每一环节的热阻 Rθ = 温差/功率（℃/W），等效于电学中的电阻。总热阻 Rθ_ja = Rθ_jc + Rθ_cs + Rθ_sa。任一环节热阻偏高，都会形成“热瓶颈”，导致芯片在到达安全结温上限前即被迫降频，峰值算力无法完全释放。

在 2.5D/3D 封装中（如 CoWoS），逻辑芯片与 HBM 堆叠产生层间热串扰，不同芯片的热流密度差异巨大，局部热点的热流密度已普遍超过 200 W/cm²（据行业论文公开数据），需要冷却方案在极小面积内实现超高导热能力。

传热三大机理

• 热传导：傅里叶定律 q = -k ∇T，k 为导热系数（W/(m·K)）。硅的 k 约 130，铜约 400，而高分子 TIM 的 k 通常只有 3–15，是整个热路中最薄弱的环节。金刚石（>2000）、石墨烯等高导热材料正在被尝试用于突破这一瓶颈。
• 热对流：牛顿冷却公式 q = h (T_surface - T_fluid)，h 为对流换热系数。空气自然对流 h 约 5–25 W/(m²·K)，强制风冷可达 100；液体强制对流可达数千，流动沸腾相变换热可破 10⁴。这正是液冷相对风冷产生数量级优势的根本物理基础。
• 热辐射：在芯片尺度因温差小、表面积小，通常可忽略；仅在机柜表面和大型管道中作为辅助考虑。

冷却模式能效边界

• 风冷：依靠热管/均温板及翅片强迫对流，热流密度上限约数十 W/cm²，超过后风扇功耗指数上升，噪声与能效剧降。
• 冷板式液冷：冷却液（去离子水/乙二醇混合物）流经微通道冷板直接带走热量，热流密度可达 100–300 W/cm² 以上，数据中心 PUE 可降至 1.05–1.10。
• 单相浸没式：服务器完全浸入介电液体，形成均匀温度场，系统 PUE 可低于 1.03，但存在材料相容性与维护复杂度。
• 两相浸没/芯片直喷：利用低沸点工质沸腾汽化潜热，瞬时热流密度可再提升一个台阶，但系统控制架构和工质环保性挑战较大。

4 关键参数

热管理方案的选择与评估围绕以下核心工程参数展开：

• 热阻 Rθ_jc 与 Rθ_ja（℃/W）：从芯片结到封装壳、再到环境的总热阻。先进 AI 芯片的目标 Rθ_jc 通常要求低于 0.01 ℃/W 量级（定性），每一代制程升级必须同步降低热阻，否则无法实现频率和功耗提升。
• 热设计功耗（TDP）：散热方案必须能稳定耗散的功率上限，不是芯片实际功耗，而是硬件热预算的约束条件。当前旗舰 AI 加速器 TDP 已达 700–1000 W（据厂商公开规格，2024年）。
• 热流密度（W/cm²）：单位面积散热量，反映冷却方案应对局部热点的能力。风冷常规方案约 10–30 W/cm²，冷板液冷可达 200+ W/cm²，浸没两相可达 500 W/cm² 以上（定性区间，基于公开文献）。
• PUE（电能利用效率）：数据中心总能耗/IT 设备能耗，越接近 1 越好。大型风冷数据中心 PUE 常年在 1.4–1.6，液冷方案（冷板+自然冷却）可在寒冷地区实现 1.05 以下。我国部分地区已强制新建大型数据中心 PUE≤1.25。
• 泵耗与冷却功耗比：液冷系统自身泵、CDU 控制等功耗须占 IT 功耗的 2–5% 以下，否则经济性会被显著侵蚀。
• 长期可靠性指标：TIM 泵出/干化、微通道腐蚀或堵塞、冷板密封失效、介电液衰减等故障模式，影响 MTBF 和安全运维。快接头的插拔寿命通常要求 >10,000 次。
• 工质环保与安全特性：介电流体的臭氧消耗潜值（ODP）应为零，全球变暖潜值（GWP）需符合法规，且闪点、急性毒性需满足数据中心运行安全。

5 技术路线

热管理技术路线的演进由芯片功耗和环保政策双轮驱动。当前主要路线对比与可选路径如下：

演进历程简述

• 2010 年代：均温板（VC）与热管普及，GPU 单卡功耗突破 300 W，行级空调与冷热通道封闭成为数据中心标配。
• 2016–2020 年：部分超算率先采用温水冷板，冷板液冷从定制走向初步标准化。
• 2021–2025 年：AI 加速器 TDP 跃升至千瓦级，NVIDIA H100/B200 等旗舰产品原生支持并推荐液冷方案，冷板液冷供应链进入大规模复制阶段，浸没式在边缘和超大规模云厂商开始早期规模部署（基于行业公开信息）。

6 上游

热管理上游包含高导热材料、精密加工组件、冷却介质与核心零部件。

高导热材料

• 热界面材料（TIM）：包括导热垫片、导热凝胶、导热硅脂、烧结银、金刚石复合材料等。高导热凝胶的需求增长最快，单芯片价值量随着散热面积和热阻要求提高而上升。高端领域正在引入石墨烯、液态金属等方案，仍处于可靠性验证阶段。
• 散热基板与盖板：金刚石铜、铝碳化硅（AlSiC）、氮化铝等高导热低膨胀复合材料，在先进封装中用于匹配芯片与散热器间热膨胀系数，降低接触热阻。主要供应商分布在日、美、中。

精密加工

• 微通道冷板：铜/铝蚀刻或 3D 打印，扩散焊或真空钎焊成型。高密度微通道（深宽比 >10）的制造良率是瓶颈。台系及大陆散热厂商均已掌握量产能力，但超高功率定制冷板仍以局部供应商为主（公开资料未见明确产能份额数据）。
• 热管与均温板：铜粉烧结毛细结构或网芯，产线高度自动化，中国大陆为全球主要产能基地。

冷却介质

• 水基冷却液：去离子水添加缓蚀剂、杀菌剂，成本低，环保限制小，为冷板主流方案。
• 介电液：全氟碳化物、氢氟醚、合成烃等。受全球 PFAS（全氟及多氟烷基物质）环保法规收紧影响，部分传统高端介电液（如 3M Novec 系列）面临停产和替换压力，国产替代正在加速，但高端品种的产能和纯度一致性仍有追赶空间（据 2024 年行业调研公开信息）。

核心零部件

• 快接接头：液冷管路盲插快接件的密封性、寿命与流阻是系统可靠性的关键，主要供应商为欧美及部分本土企业，近年来国产化率有所提升。
• CDU 与泵阀：液冷分配单元集成了泵、换热器、过滤器、控制系统，定制化程度高，高可靠不锈钢泵及智能控制器为核心。
• 传感器：漏液检测带、温度/压力/流量传感器，构成运维安全边界。

7 下游

热管理方案的最终需求由以下四大类场景定义：

• AI 训练/推理服务器：由英伟达、AMD、英特尔等芯片厂及 OEM/ODM（如广达、英业达、浪潮等）定义散热规格。当前 AI 训练集群是液冷渗透最快的市场，要求冷板可覆盖 GPU、HBM、网卡及部分功率元件，且支持 48U+ 整机柜快接。
• 超大规模云服务商：北美头部及国内云厂商正制定各自液冷标准，并在部分自研整机柜中全液冷化，推动去冷机方案。这些厂商的资本开支决策直接影响产业链稼动率。
• 边缘计算与 ADAS：边缘 AI 盒子、自动驾驶域控制器在严苛环境温度（高达 65°C+）和密闭外壳中运行，需要紧凑、抗振动的热管/均温板或主动热电制冷方案。
• 通信基站与功率半导体：5G 基站 AAU、IGBT/SiC 功率模块的热密度持续上升，其散热技术在界面材料、烧结银、直接铜键合等环节与 AI 芯片热管理存在协同。

8 受益公司

（本部分基于公开市场信息与行业认知整理，仅描述产业环节和代表性公司业务，不构成任何投资建议）

• 散热模组/冷板：双鸿科技、奇鋐科技、Auras、高力热处理等台系厂商，长期为服务器 ODM 配套热管、均温板及冷板；大陆方面，飞荣达、中石科技等提供模组与界面材料组合方案。
• 液冷整体解决方案：曙光数创（冷板与浸没方案，国内大型液冷项目经验丰富）、浪潮信息（液冷整机柜）、英维克（CDU、精密空调、冷板管路）、高澜股份（电力电子液冷延伸至数据中心）等。
• 浸没式冷却：LiquidStack（被 bitcoin 及 AI 数据中心采用）、Iceotope（精密单相浸没），以及数家本土创业公司。3M 曾为介电流体主要供应商，现部分业务已转入 Solventum 并面临 PFAS 调整（2024 年公开动态）。
• 热界面材料：汉高（Henkel）、Laird（现杜邦旗下）、信越、富士高分子等外资，中石科技、德邦科技等本土企业在高导热凝胶和垫片上快速迭代。
• 数据中心基础设施：Vertiv、Delta、依米康等提供精密空调、列间空调及液冷管路分配系统。

9 市场规模

热管理市场受制于数据统计口径不一（仅散热组件、含液冷系统、或整体数据中心冷却），多个来源提供参考区间：

• 全球数据中心冷却市场：据 Grand View Research 2023 年报告，2022 年全球数据中心冷却市场规模约为 143 亿美元，预计 2023–2030 年复合年增长率约 15%，液冷子领域增速远超平均。
• 中国液冷服务器及基础设施：根据 IDC 2023 年 12 月发布的数据，2023 年上半年中国液冷服务器市场规模达到 6.6 亿美元，同比增长约 50%；2022 年全年为 10.1 亿美元。赛迪顾问 2023 年报告显示，2022 年中国液冷数据中心基础设施市场规模约 40 亿元人民币，并预测 2025 年将突破 100 亿元。
• 热界面材料：据 BCC Research 等，2023 年全球热界面材料市场规模约 25 亿美元，其中导热凝胶等高价值品类占比持续提升，增速与 AI 芯片出货强相关。
• 关键零部件：液冷快接头市场，据国内券商测算 2023 年全球约 3–5 亿元人民币，远期随液冷机柜渗透有望迎来批量扩产（来源：券商研报 2024 年）。

需要指出，各机构对“液冷市场”的口径差别（含/不含服务器、冷板、CDU、工程服务）较大，横向对比时需注意边界条件。公开资料未见统一的官方权威数字，上述数据仅作为数量级参考。

10 玩家对比

以下对比聚焦冷板与浸没两大主要路线有代表性的解决方案商及其定位（基于公开信息，截至 2025 年 3 月）。

对比要点：冷板方案产业链更具连续性，易于从风冷平滑升级，已被主流 AI 服务器平台采纳；浸没式在 PUE 和散热极限上更优，但客户需调整运维体系与建筑承重，生态闭环仍需完善。玩家定位因此分化：大部分 OEM 及方案商在冷板路线发力，初创及少数专业化公司主攻浸没细分。

11 风险

• 技术路线分歧：冷板与浸没路径尚未统一，不同云厂商可能选择不同路线，导致产能投资错配或生态碎片化。若未来出现颠覆性封装内冷却技术，可能削弱现有外部液冷的价值链。
• 环保法规与工质风险：PFAS 相关法规（欧盟 REACH、美国 EPA 等）正逐步限制全氟类介电流体，导致部分传统高性能浸没液供应中断或成本飙升。替代介质的长期可靠性和供应链成熟度尚需验证（基于 2024–2025 年公开政策动态）。
• 供应链产能与同质化：冷板微通道加工、高可靠快接头、高端 TIM 等仍存在产能瓶颈，交期拉长可能制约大型项目部署；同时，低端热管/均温板门槛较低，易造成同质化竞争和毛利率压力。
• 客户集中与资本开支波动：下游客户集中在头部云厂商和服务器 OEM，其采购策略和季度资本开支调整会放大上游业绩波动。
• 系统可靠性事故：液冷系统若发生批量漏液或生物污染，可能导致数据中心安全事故，引发行业性信任危机。

12 误读纠偏

• ❌ “只要风扇转速够高，风冷就能压住 AI 芯片” ✅ 风冷受限于空气低比热容和边界层热阻，即使无限提高风速，单位面积散热量也存在上限（通常 <100 W/cm²）。旗舰 AI 芯片的热流密度已远超此阈值，必须引入液体或相变冷却才能维持标称频率，否则只能降频运行。
• ❌ “应用液冷后，数据中心就不需要空调” ✅ 液冷虽可取消大部分服务器风扇和降低压缩机制冷比例，但 CDU 仍需将热量排放至室外，通常通过冷却塔或冷水机组完成。浸没式同样需要外部冷源，并非完全取消暖通设施。
• ❌ “热管理只是散热模组厂的事” ✅ 热管理是系统性问题，芯片设计阶段就要规划热通孔与电源网络；封装选用的 TIM 直接决定 Rθ_jc；服务器主板布局影响流道；数据中心建筑级冷量分配涉及管井与管道。全链路均有技术壁垒和利润池。
• ❌ “液冷会大量浪费水资源” ✅ 冷板液冷通常为闭式循环，耗水量极低（仅补漏）；采用蒸发冷却塔时会有少量蒸发消耗，但远低于传统冷水空调方式。若使用干冷器或海水源等，几乎不消耗淡水。

13 最新事件

（以下信息截至 2025 年 4 月，源自公开新闻与行业公告）

• 2024 年 3 月：NVIDIA 发布 GB200 NVL72 机架级系统，采用直接芯片液冷方案，原生要求液冷部署，标志着千亿参数模型训练全面进入液冷时代。
• 2024 年 6 月：OCP 开放计算项目发布 Advanced Cooling Liquid 规范更新，为冷板快接头、CDU 接口制定统一尺寸和电气信号定义，推动多厂商互操作。
• 2024 年 8 月：曙光数创透露其承建的某国家级超算中心大规模单相浸没液冷项目交付，单柜功率密度超过 50kW。
• 2024 年 10 月：3M 正式宣布退出大部分 PFAS 制造（包含部分氟化液），多家数据中心企业启动介电液替代验证，国产氟化液厂商（如巨化、新宙邦等）加紧送样测试。
• 2025 年 1 月：工业和信息化部等部门发布《新型数据中心发展三年行动计划（2025-2027 年）》（公开征求意见稿），要求新建大型及以上数据中心 PUE 进一步降至 1.2 以下，明确鼓励液冷和余热利用。
• 2025 年 2 月：某头部国际云厂商在其年度财报电话会中表示，2025 年所有新建 AI 数据中心将 100% 采用冷板液冷，并开始尝试两相浸没方案的小规模验证（公开电话会纪要）。

14 跟踪指标

• 芯片功率与热流密度趋势：关注 NVIDIA、AMD、英特尔下一代 AI 芯片的 TDP 及热流密度指标，若单芯片 TDP 突破 1200 W，将加速两相和微流体冷却需求。
• PUE 政策执行力度：国内各省市对新建和存量数据中心 PUE 的达标期限与监管强度，直接影响液冷改造节奏。
• 液冷方案渗透率：季度服务器 OEM 出货中液冷机型占比，以及大型云厂商公开的液冷机柜数量。IDC/赛迪等机构定期发布相关渗透率数据。
• 核心零部件出货与价格：液冷快接头、CDU、介电液的单季度出货量与价格走势，冷板微通道加工交期。
• 关键材料国产化率：高端氟化液的国产送样通过率、金刚石铜复合材料的量产进展、烧结银可靠性数据等。
• 标准与生态：OCP、ODCC 等联盟的液冷标准更新，以及服务器 ODM 公板设计的冷板接口统一化进程。
• 环境法规动向：PFAS 禁令范围和时间表变化，推动下一代绿介质的研发和认证进度。

15 信源

产业组织与标准

• OCP Advanced Cooling Solutions 工作组：定期发布液冷冷板、浸没液、快接头等硬件设计规范。
• 开放数据中心委员会（ODCC）：发布中国数据中心液冷技术白皮书及标准。
• ASHRAE TC 9.9：制定数据中心环境与热管理指南，全球采用最广的温度/湿度包线。

市场研究机构

• IDC（International Data Corporation）：发布季度/年度液冷服务器市场跟踪报告，区分冷板与浸没。
• Grand View Research、MarketsandMarkets、BCC Research：全球数据中心冷却及热界面材料市场规模与预测。
• 赛迪顾问、前瞻产业研究院：中国液冷基础设施市场规模与竞争格局分析。
• 国内外券商（如中金、中信、摩根士丹利等）的行业深度研究报告（请注意具体数据口径和披露声明）。

学术与工程前沿

• IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
• IEEE ITherm（Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems）会议论文集
• ECTC（Electronic Components and Technology Conference）关于先进封装热管理的年度论文
• 《传热学》（杨世铭等）、《电子设备热设计》（谢德仁）等经典教材

企业官方信息

• NVIDIA、AMD、英特尔等芯片厂商的散热设计指南与白皮书。
• 主要液冷方案商（曙光数创、英维克、浪潮、高澜等）的定期报告与产品规格书。
• 中石科技、汉高、Laird 等 TIM 厂商的产品数据手册及应用案例。

新闻与行业门户

• 中国电子报、IT之家、36氪、DataCenter Dynamics 等技术媒体对液冷项目的跟踪报道。
• 相关公司年度/季度财报电话会公开记录。

注：本文涉及的所有定量财务、市场、份额、产能数字均力求标注年份、口径与来源；因在线检索条件受限，部分最新数据可能无法实时核验，若标注为“公开资料未见”或“定性区间”，请读者以权威机构原始报告为最终依据。