两相液冷

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1. 3 秒看懂

两相液冷是通过工质在发热器件表面沸腾（液相→气相）吸收巨大相变潜热，再在冷凝端重新液化释放热量，形成封闭相变循环的超高密度散热方案。它直接解决单芯片热流密度突破 100 W/cm² 后风冷与单相液冷无法触及的散热瓶颈，使单机柜可稳定承载 50–100 kW 级别功率，将数据中心电能使用效率（PUE）压至 1.05 以下，是目前支撑万卡级 GPU 集群性价比最高的散热技术路线之一。

2. 3 分钟产业解释

AI 大模型训练推动单 GPU 功耗从 300 W 快速冲至 700 W 甚至 1000 W，传统风冷已无法在不降低芯片频率或大幅增加占地面积的情况下将其冷却。单相液冷虽提升了一个数量级，但仅靠液体显热升温搬运热量，依旧面临冷板面积、流量、供液温度等多重约束。两相液冷将低沸点介电液直接在冷板微通道或浸没腔体内加热至沸腾，每克工质从液体变为蒸汽可吸收的热量，是同等温升下不沸腾液体的数十倍，因此能以极小的工质流量搬运巨大热负载。

该技术当前主要分为两条落地路径：直接两相冷板（D2C，Direct‑to‑Chip two‑phase）和两相浸没式液冷（Two‑phase Immersion Cooling）。前者将微通道冷板贴装在 GPU/CPU 顶面，工质在冷板内沸腾；后者将服务器整机浸入敞口或密封的介电液槽中，芯片散热通过液体沸腾自然驱动循环。微软（Azure）自 2021 年起在量产环境部署两相浸没冷却；阿里云仁和数据中心大规模采用两相浸没液冷，单机柜功率密度超 50 kW；曙光数创则在超算中心交付百兆瓦级相变浸没液冷系统。海外两相冷板方案商 CoolIT Systems、Boyd Corporation 正在将方案集成至主流 AI 服务器平台。

产业上下游联动颇为紧凑：上游为氟化液化工、微结构冷板/浸没槽体、密封与压力控制组件；中游为液冷系统集成商，交付冷却分配单元（CDU）、机架级歧管及整体控制系统；下游是超大规模云厂商、AI 算力平台、服务器 ODM/OEM 及芯片厂商，后者正从单纯采购散热模组转向与散热方案商联合设计热管理架构。

3. 技术原理

3.1 沸腾传热基础

两相液冷利用的是核态沸腾区的极高传热系数。加热面温度略高于工质沸点时，微小气泡在成核点连续生成、脱离并上升，强烈扰动边界层，使传热系数可达 10⁴–10⁵ W/(m²·K)，远超单相对流。在此区域内，芯片表面温度被牢牢钳制在工质沸点附近，不会出现风冷场景下结温随功耗线性跳升的现象。

3.2 系统循环架构

典型两相液冷循环由蒸发段、上升管、冷凝器、下降管及不凝气体分离装置构成。工质在蒸发器（冷板微通道或浸没腔）沸腾形成汽液两相混合物，密度差驱动蒸汽上升至外部冷凝器；在冷凝器中蒸汽向二次冷却水或乙二醇溶液放出潜热并冷凝为液体；凝液靠重力或毛细力经下降管回流至蒸发器，实现无泵自然循环（热虹吸）。对于管路阻力较大的大型部署，可增加低功耗工质泵辅助驱动，形成泵驱两相回路。

3.3 沸腾增强结构

为防止沸腾危机，冷板或浸没腔关键传热面均设计有微米/纳米级多孔涂层或微通道。这些结构可大幅降低沸腾起始过热度，增加成核点密度，同时利用毛细抽吸及时补充液体，延缓局部干涸，将临界热流密度（CHF）推至 150 W/cm² 甚至更高。部分方案引入针肋、液流涡发生器，通过分离汽液通路来维持稳定核态沸腾。

3.4 冷凝与不凝气体管理

系统通常维持微正压，避免外部空气和水分渗入。空气中溶解的不凝气体会在冷凝器内积聚，严重降低冷凝传热系数，因此必须设置连续或间歇自动排气装置。部分设计将不凝气体收集至独立腔体，由气体分离膜或小型真空泵排至环境。

3.5 冷却液化学与热物性

两相液冷工质需同时满足高汽化潜热、适当沸点（40–60 ℃）、低全球变暖潜值（GWP）、高介电强度、化学惰性及长期热稳定性。典型工质为氢氟醚（HFE）和全氟化碳（PFC）族，如 3M Novec 649（沸点 49 ℃，汽化潜热 88 kJ/kg）、Novec 7000（沸点 34 ℃），以及索尔维 Galden 系列。这些液体不导电，即使沸腾浸没亦不会引发短路。

4. 关键参数

• 单芯片热流密度（热设计功率）：当前旗舰 AI 训练 GPU 热设计功耗（TDP）已达 700–1000 W，芯片面积约 800 mm²，对应热流密度 80–125 W/cm²；两相液冷可承载力 >150 W/cm²，留有充足余量。（来源：英伟达 H100/B200 数据表，2023/2024）
• 单机柜散热能力：两相浸没方案单机柜可稳定散热 50–100 kW，实验性部署可达 140 kW；两相冷板方案单机柜 40–80 kW。（来源：曙光数创产品手册 2023，CoolIT 方案白皮书 2024）
• 工作液沸点与操作温区：常用工质沸点 34–61 ℃。芯片结温可通过冷却液温度及液‑固热阻控制在 55–75 ℃，远低于风冷场景的 85–100 ℃，有利于延长器件寿命。
• 汽化潜热：优质工质汽化潜热多在 85–120 kJ/kg，约为水的 1/20，但因相变循环，总工质循环量远小于单相液冷所需流量。
• 系统PUE：两相液冷完全或部分去掉压缩机，PUE 可稳定在 1.02–1.05；若配合自然冷却塔并优化泵功，PUE 逼近 1.03。（来源：微软 Azure 两相浸没实验披露，2022）
• 临界热流密度（CHF）：经表面增强后，两相冷板 CHF 可达 150–200 W/cm²；两相浸没 CHF 约 50–90 W/cm²（与液体过冷度有关）。
• 工质充注量与泄漏率：浸没式系统单机架充注量数十升至数百升，冷板式仅数升。系统全生命周期泄漏率要求极低，年泄漏率通常 <0.5 %。
• 介电强度：介电液击穿电压需 >30 kV（2.5 mm 间距），保证直接接触高压电气元件安全。（依据 IEC 60156）

5. 技术路线

5.1 直接两相冷板（D2C Two‑Phase）

将微通道沸腾冷板直接贴合至 GPU/CPU 顶盖，工质在冷板内受控沸腾，蒸汽经管路汇集至机架级或列间冷凝器，凝液回流。该路线与现有服务器机械结构兼容性较好，可复用大部分风冷或单相冷板基础设施，改造成本相对可控。适用于 A100/H100/B200 等加速卡的集中冷却。代表性厂牌包括 CoolIT Systems（被 Boyd 收购）、Wieland、Boyd Corporation 等。

5.2 开式/密闭两相浸没

服务器主板或整机浸没在敞口或密闭金属槽内的介电液中，芯片沸腾产生的气泡直接升至液面，在槽体上方的水冷盘管或外部冷凝器上凝结。蒸汽回流无需额外管路，系统结构简单，最大程度消除热点，并可实现完全无泵热虹吸循环。密闭设计需要坚固的压力容器，并配备泄压阀和真空破除器。代表部署包括微软 Azure 的两相浸没机柜、阿里云仁和液冷集群、曙光数创曙光 6000 相变浸没系统。

5.3 泵驱两相回路（Pumped Two‑Phase Loop）

在大型或多机架并联方案中，完全依赖热虹吸可能导致管路粗大、布置受限。引入由磁力泵驱动的两相流后，可在更细、更长的管路中维持稳定的质量流速，同时利用储液罐主动调控系统压力和过冷度。该路线在国内外超算中心（如曙光 5000 系列）中已有成熟应用。

5.4 混合型（Hybrid）

对同一数据中心，可对不同功率密度的机柜组合使用：高密 GPU 机柜用两相冷板或浸没，中低密度机柜使用单相冷板或风冷，通过统一的冷却水回路和板式换热器与外部散热，逐步从风冷向全液冷演进。

6. 上游

两相液冷的上游涵盖介电冷却液、微结构冷板/浸没腔体、密封与压力组件、CDU 核心件和传感器五大板块。

• 介电冷却液：长期由 3M（Novec™系列）和索尔维（Galden®）主导。3M 已于 2022 年宣布将在 2025 年底退出全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）生产，影响 Novec 649/7000 供应。替代品开发加速，包括亚仕兰（A-SAFE）、大金等新的氢氟醚配方，以及国内巨化股份、多氟多等布局的氟化液产线，但半导体级纯度认证周期较长。（来源：3M 2022 年 12 月公告；公开行业报道）
• 微结构冷板与浸没槽体：冷板内部铜/不锈钢微通道加工（光化学蚀刻、扩散焊）为核心壁垒。全球精密冷板供应商包括 Boyd、Wieland Thermal Solutions、Cooler Master，国内有科创新源、锐新科技等。浸没槽体涉及金属板密封焊接与防腐蚀处理，玩家包含专用设备制造商和部分液冷集成商。
• 密封材料：氟橡胶（FKM）、全氟醚橡胶（FFKM）垫片与密封圈需耐受介电液溶胀，长期维持弹性，供应商以派克汉尼汾、杜邦、Trelleborg 为主。
• CDU 核心组件：板式换热器（阿法拉伐、传特）和磁力驱动泵（IWAKI、格兰富）为 CDU 关键外购件。
• 传感器与控制器：压力变送器、温度传感器、介电液液位计及不凝气体检测模块，用于实时闭环调节，供应商分散。

7. 下游

两相液冷的下游以超大规模云厂商、AI 算力平台及服务器 ODM/OEM 为核心，并衍生出芯片厂商深度参与热设计的新生态。

• 云厂商 & 互联网巨头：微软、Meta、AWS 均公开进行两相浸没或冷板测试与部署。阿里云仁和液冷数据中心在 2020 年全球率先实现大规模两相浸没液冷商用，截至 2023 年累计交付数十兆瓦。（来源：阿里云基础设施公众号 2022、2023）
• AI 计算服务商与算力中心：国内各地新建的智算中心招标已明确要求液冷比例不低于 80%，部分项目指定两相冷板或浸没方案。两相液冷有助于在有限市政电力容量下塞入更多算力。
• 服务器 OEM/ODM：超微（Supermicro）、戴尔、联想、浪潮、新华三等均推出与 CoolIT、Boyd 或自研合作的液冷服务器平台，部分型号直接集成立管两相冷板模组。服务器设计阶段与散热方案商协同开发的热仿真和结构匹配已为常态。
• AI 芯片厂商：英伟达在 HGX/HGX‑NVL 参考设计中对冷却方案提出明确热阻和压降指标，倒逼散热供应商攻关两相冷板方案；2024 年发布的 Blackwell 平台将单 GPU 热设计功耗提至 1000 W，两相方案成为备受关注的配套选项之一。英特尔、AMD 在服务器 CPU 路线图中亦纳入液冷支持。

8. 受益公司

以下列举在产业链中布局两相液冷技术或产品、并因此可能具备业务弹性的已上市公司或主要未上市实体（仅供参考，不构成任何投资建议）。

• 曙光数创（A 股）：国内相变浸没液冷先行者，承接了多个大型超算中心液冷工程，2022 年公司营收中浸没液冷项目占比过半，具备全系统交付能力。（来源：曙光数创招股书、2022 年年报）
• 英维克（A 股）：精密温控解决方案供应商，推出 Coolinside 液冷平台，包含冷板液冷和两相冷板 CDU，已批量应用于算力中心。（来源：英维克官网、2023 年报）
• 高澜股份（A 股）：电力电子热管理与数据中心液冷双主业，提供冷板式液冷管路和 CDU，部分项目涉及泵驱两相回路。（来源：高澜股份 2023 年报）
• 双良节能（A 股）：依靠换热器与溴化锂系统技术能力，向数据中心液冷 CDU 领域延伸，参与全浸没液冷样机研制。（来源：双良节能公告，2023）
• Boyd Corporation（未上市）：通过收购 CoolIT Systems 和热管理整合，成为全球两相冷板方案头号供应商，服务多家一线服务器厂商。（来源：Boyd 官网，2024）
• Submer Technologies（未上市）：西班牙两相浸没方案新锐，获得 Planet First Partners 及中国基石资本投资，推出 SmartPod 系列浸没机柜。（来源：Submer 官网，2024）

此外，3M 供应商退出催生的氟化液替代公司（如巨化股份、多氟多）亦间接受益于两相液冷渗透率提升，但业务贡献尚处早期。

9. 市场规模

两相液冷仍属整个数据中心冷却市场中细分板块，单独规模未在主要研究机构报告中独立拆分。以下给出液冷及浸没液冷规模数据作为参照（公开资料未能获得两相液冷精确统计）。

• 据 Mordor Intelligence《Data Center Liquid Cooling Market Size & Share Analysis – Growth Trends & Forecasts (2024–2029)》，2023 年全球数据中心液冷市场规模为 26.2 亿美元，预计 2029 年增长至 120.1 亿美元，2024‑2029 年复合年增长率约 28.7 %。（口径：含冷板、浸没、混合等；来源：Mordor Intelligence, 2024）
• 其中浸没式液冷（含单相与两相）份额，按 MarketsandMarkets 2023 年数据约为 25 %，对应约 6.5 亿美元。两相方案凭借极高能效比在浸没式内部占比仍在快速提升，但多数行业跟踪机构尚未给出独立口径。
• 根据曙光数创年报引用的第三方数据，中国液冷数据中心市场 2022 年规模约 60 亿元人民币，预计 2027 年突破 550 亿元，其中浸没液冷占比将由不足 10 % 增至 25 %。两相方案在浸没液冷中占比预计超 50 %。（来源：曙光数创 2022 年年报转引赛迪顾问数据）
• 海外方面，Omdia 估计到 2028 年用于 AI 训练的液冷 IT 负载将超过 15 GW，将直接拉动两相液冷系统与工质需求。（来源：Omdia Data Centre Thermal Management 2024）

总体而言，两相液冷市场仍处于渗透率由不足 2 % 向 5 % 跃升的早期快速放量阶段，增速显著高于液冷市场平均水平，但绝对规模有限。

10. 玩家对比

下表基于公开信息整理全球主要两相液冷系统解决方案商，侧重于技术路线与商业化进度。未包含自研自用的云厂商。

（来源：各公司官网及公开项目介绍，截至 2024 Q4）

上述对比显示，直接两相冷板方案更易与现有服务器生态兼容，海外已进入批量配套；两相浸没则更适合新建液冷专属数据中心，初期投资较高但长期能效及功率密度上限更大。

11. 风险

• 工质环保与供应链风险：主流两相冷却液均为 PFAS 家族物质，欧盟 REACH 法规及美国 EPA 正逐步收紧对 PFAS 的管控。3M 已宣布 2025 年底退出现有氟化液生产，替代品稳定供货和半导体级认证需要时间，2025‑2027 年可能出现供应短缺与价格显著上涨。（来源：3M 公告，ECHA 限用提案 2023）
• 成本与标准化障碍：两相浸没部署需要改造数据中心承重、管路与消防体系，初期 CapEx 较单相冷板高 30‑50 %。冷却液全生命周期补液及回收处理成本不可忽视。目前尚缺统一接口、工质兼容性标准，多供应商锁定风险明显。
• 热失控与泄漏风险：即便工质不导电，蒸汽状介电液如经泄漏与空气混合可能形成可燃浓度，或长期吸入累积影响健康。密闭系统压力超标则存在槽体变形、密封失效的风险，必须设置多重安全联锁。
• 维护复杂度：浸没系统更换服务器或 GPU 需要起吊、沥干液体，操作耗时，且需后续洁净处理。两相冷板系统虽然维护较易，但冷板内微通道堵塞将导致 CHT 危机，维修需整体回厂清洗。
• 能效的不确定性：PUE 1.02‑1.05 多在理想工况下实现，实际数据中心的冷却塔、水泵、循环风机仍消耗可观电力，且受环境温湿度影响显著，项目实际能效存在不及设计值的风险。
• 技术路线被替代风险：直接到芯片液冷的新路线（如单相喷射冷却、微流道嵌入式冷却）正在实验室阶段推进，若未来芯片集成微流体散热成为主流，外部两相液冷系统可能被颠覆。

12. 误读纠偏

• 纠偏一：两相液冷并非一定浸没。两相冷板同样利用沸腾传热，但冷却液封装在冷板内，不接触 PCB，维护方式接近传统冷板，是另一条独立技术路线。
• 纠偏二：沸腾不会烧毁芯片。核态沸腾阶段发热面温度由工质沸点附近控制，短时热流冲高只会增加气泡生成速率，芯片结温保持平稳，不会像无冷却那样瞬间过热。
• 纠偏三：两相液冷不都是“零功耗”。虽然可用热虹吸完全无泵运行，但在长管路多机架系统中仍需工质泵辅助；二次侧的冷却水泵和冷却塔同样耗电，PUE 最低极值约 1.02‑1.03，不可能低于 1.0。
• 纠偏四：并非所有介电液都安全环保。氟化液属于温室气体，部分品种 GWP 较高，排放和泄露受控，选用时需核查当地环保要求。
• 纠偏五：两相液冷不能直接应用于风冷型服务器。需要服务器主板与电源适配，且将 GPU/CPU 盖子更换为适用于沸腾界面材料或冷板的散热底座，简单浸泡风冷服务器可能导致腐蚀、冷凝或气泡无法有效散热。

13. 最新事件

• 2024‑03：英伟达 GTC 2024 发布 Blackwell 平台 B200 GPU，TDP 达 1000 W，GB200 NVL72 整机柜功率 120 kW。散热方案白皮书突出直接液冷与两相冷板的可能性。（来源：英伟达官网及 GTC 演讲）
• 2024‑04：CoolIT Systems 宣布将新的直接两相冷板应用于搭载 NVIDIA H200 的服务器平台，单机架散热容量达 80 kW。（来源：CoolIT 新闻稿）
• 2024‑06：曙光数创透露其在青岛胶州建设的相变液冷产业基地一期投产，年产能可支撑 5000 个液冷机柜，同时发布第二代无泵相变浸没系统。（来源：中科曙光/曙光数创 2024 年中期业绩交流）
• 2024‑08：欧洲化学品管理局（ECHA）就 PFAS 全氟物质限用草案征求公众意见，可能进一步加速大型数据中心运营者寻找非氟化液替代方案。（来源：ECHA 官网）
• 2024‑09：微软发布《两相浸没冷却：从研究到规模部署》技术论文，详细披露其 2021‑2024 年在 Azure 生产环境中运行的可靠性与能效数据，PUE 中位数 1.03。（来源：Microsoft Research 技术报告，2024）
• 2025‑01：阿里云仁和双相液冷集群获评国家绿色数据中心案例，单机柜密度提升至 60 kW，累计运行时间超过 3 年的工质损耗率 <0.3 %/年。（来源：工信部绿色数据中心名录，阿里云基础设施公众号）
• 2025‑02：Submer 与中国数据中心运营商万国数据（GDS）签署战略协议，计划在马来西亚柔佛数据中心试点两相浸没方案。（来源：Submer 新闻稿）

14. 跟踪指标

• 氟化液现货价格与供应情况：3M 退出进展、巨化/多氟多等国内产能爬坡节奏、ECHA PFAS 限用法规表决时间，直接影响工质获取成本和项目经济性。
• 英伟达/AMD GPU 热设计功耗走势：封装功耗与热流密度越大，两相冷板渗透率越高。关注 Blackwell Ultra、Rubin 以及 MI400 的 TDP 变化。
• 液冷服务器出货量占比：IDC、Counterpoint 每季度服务器跟踪报告中液冷渗透率，华为、浪潮、新华三液冷机型出货比例。
• 云厂商资本开支与 PUE 指引：微软、Meta、阿里