直接液冷

3 秒看懂

冷板式直接液冷（Direct Liquid Cooling, DLC）是把高導熱液體送入緊貼 CPU/GPU 等發熱晶片的冷板內部，通過液體快速帶走熱量的散熱技術。它打破了傳統風冷的熱密度天花板，讓單機櫃穩定支撐 50 kW 甚至 100 kW 以上的 AI 算力成為現實，並將資料中心電能利用效率（PUE）壓至 1.1 以下，已成為十萬卡級 GPU 叢集的標配散熱方案。

3 分鐘產業解釋

冷板式液冷走的是“晶片→冷板→冷卻液→外部換熱”的短熱路，與依賴機房空調的“送風冷卻”完全不同。核心邏輯是將高精度冷板直接貼裝在 GPU/CPU 頂蓋上方，冷卻液在封閉的金屬冷板內部湍流流過，以極高的對流換熱係數將晶片熱量轉移至液體，再經由液冷分配單元（CDU）將熱量排給室外的冷卻塔或冷凍水系統。整個過程液體與電子器件零接觸，屬於“間接液冷”。

當前主流的單相冷板方案中，一次側冷卻液（通常是去離子水基配方）吸收晶片熱量後溫度升高 5–15 ℃，回液經過 CDU 內的板式換熱器，把熱量傳遞給二次側，二次側再通過蒸發冷卻或乾冷器將熱量散入大氣。隨著輝達 HGX H100/H200 液冷版、GB200 NVL72 整機櫃級液冷系統的大量出貨，DLC 已從超算領域的“小眾專配”變為 AI 基礎設施的“工業化標準”。單 GPU 功耗突破 700 W，單機櫃密度向 120 kW 攀升，風冷在散熱能力、能效和經濟性上徹底失效。同時，中國要求新建大型、超大型資料中心 PUE 低於 1.25，部分地區甚至更低，政策端構成液冷滲透的剛性驅動器。

技術原理

液冷散熱的本質是壓低晶片結溫到室外環境的總熱阻。從結到外界的熱阻串聯模型為：

R_total = R_jc + R_TIM + R_cp + R_conv + R_CDU + R_ext

其中 R_jc 為晶片結到封裝殼的熱阻，R_TIM 為導熱介面材料熱阻，R_cp 為冷板固體導熱熱阻，R_conv 為冷板內對流熱阻，R_CDU 為換熱器和管路熱阻，R_ext 為室外散熱環節熱阻。風冷方案中，R_conv 極大（空氣導熱率和比熱低），而液冷通過微通道結構將對流換熱面積 A 提高數倍，同時液體的導熱係數和對流換熱係數 h 遠高於空氣，使總熱阻下降一個數量級。

單相液冷熱平衡遵循：

Q = dot(m) \, C_p \, (T_{out} - T_{in})

其中 Q 為晶片功耗，ṁ 為質量流量，Cp 為冷卻液比熱。供液溫度 T_in 一般設計為 25–32 ℃，回液 T_out 控制在 40–45 ℃，這一溫度區間可使室外側全年大部分時間直接利用自然冷卻（乾冷器），無需壓縮機，PUE 可低至 1.05。

兩相液冷的沸騰曲線則展現更高潛能：在核態沸騰區，很小的壁面過熱度即可激發大量氣泡，以潛熱方式帶走極高熱流密度（>100 W/cm²），晶片表面溫度幾乎不隨功率劇增。這對未來單晶片 1000 W+ 的峰值功耗極為有利，但也引入了相變工質回收、系統壓力控制和冷凝迴路設計的工程挑戰。

冷板內部微通道結構示意圖（典型橫截面）：

+----------------------------+
|   晶片發熱表面            |
|   ↓ 導熱介面材料 (TIM)    |
|  +------------------------+
|  | 銅/鋁冷板             |
|  |  |||||| 微通道肋片    |
|  |  冷卻液流向 →         |
|  +------------------------+

微通道水力直徑常設計在 0.5–1.0 mm，通過精密銅或鋁的真空釺焊或摩擦焊成形，單位體積換熱面積可達 1000 m²/m³ 以上，實現低熱阻與低流阻的平衡。

關鍵引數

熱阻與冷卻能力

• 晶片到冷卻液總熱阻：典型冷板設計目標 ≤0.03 °C/W（據公開設計白皮書）。
• 最大散熱能力：單相冷板單晶片可覆蓋 700–1000 W，兩相方案可突破 1500 W。

供液溫度與流量

• 一次側供液溫度：25–32 °C（常規），溫暖冷卻方案可提高至 40–45 °C 以延長自然冷卻時間。
• 單節點流量：約 3–10 L/min，ΔT 控制在 5–10 °C。
• 二次側回液溫度：高達 40–45 °C，適配乾冷器。

系統壓降與泵功

• 冷板+管路總壓降：0.3–1 bar，泵功耗通常佔冷卻總能耗的 2–5%，需用調速泵最佳化。

洩漏與可靠性

• 無滴漏快接頭：插拔壽命 ≥10,000 次，自動關閉閥使單次斷開的洩漏量低於 0.5 mL（參照 Stäubli 等行業指標）。
• 漏液檢測繩可沿管路佈置，配合監控系統在數秒內定位異常，執行中洩漏事故率在成熟部署中已低於百萬分之一。

水質管控指標

• 電導率：＜1 μS/cm，總硬度＜0.5 ppm，顆粒度＜0.1 μm，以防止電化學腐蝕和微生物滋生。
• 防腐新增劑：使用緩蝕劑、除氧劑，定期取樣。

能效指標

• PUE：液冷結合自然冷卻可實現 1.05–1.10（風冷難以突破 1.25）。
• 水資源利用效率（WUE）：減少蒸發散熱依賴，可低於 0.3 L/kWh，適用於缺水地區。

全生命週期成本（TCO）

• 液冷伺服器資本支出較風冷高約 10–20%，但執行電費和冷卻裝置投入節省可使 2–3 年內回收增量成本（基於超大規模資料中心典型算力密度，來源：公開運營商案例分享）。

技術路線

目前並行發展四條主流液冷技術路線，產業主航道為冷板式單相液冷。

冷板式單相液冷

• 系統構成：冷板、CDU（含泵、板換、膨脹罐、過濾器）、管路與快接頭、監控。
• 優勢：相容標準伺服器主機板，可維護性好，快接盲插，執行壓力低，無相變工質回收問題。
• 典型單機櫃能力：50–120 kW。
• 代表部署：輝達 HGX/H100/H200 液冷版、聯想海神、浪潮整機櫃液冷、HPE Cray EX 超級計算機。

冷板式兩相液冷

• 利用低沸點介電液在冷板內沸騰，通過相變潛熱極大提升換熱係數。
• 單機櫃可輕鬆支援 100+ kW，但需專門的冷凝器、氣液分離器和壓力調節，工質成本高昂，維護複雜。
• 目前主要用於超高密度試驗或特定超算專案，如 Cray 的某些高功率配置，尚未大規模推廣。

浸沒式單相液冷

• 將整臺伺服器浸沒在介電液體（礦物油或合成碳氫液）中，液體強制對流帶走晶片熱量。
• 單機櫃支援 30–80 kW，伺服器需定製（去除風扇、介面保護），液體迴圈系統龐大，維護起吊困難。
• 適用於邊緣計算、部分割槽塊鏈礦場、特殊場合。

浸沒式兩相液冷

• 高沸點介電液在晶片表面沸騰，蒸氣在液麵上方冷凝迴流，無需泵驅動，熱虹吸可實現極高換熱。
• 熱流密度潛力 100+ kW/機櫃，但密封、相容性、工質費等問題突出，主要停留於研發和實驗階段。

技術路線對比表

指標	冷板單相	冷板兩相	浸沒單相	浸沒兩相
散熱能力（kW/櫃）	50–120+	100+	30–80	100+
改造量	低	中	高	高
系統複雜度	中	高	中	高
可維護性	較好	一般	差	差
工質	水基	介電氟化液等	介電礦物油等	介電氟化液等
當前成熟度	規模部署	試點	小規模部署	實驗階段

上游

產業鏈上游由以下細分領域構成：

精密冷板與微通道加工

• 核心工藝：銅、鋁合金的微通道成形，涉及精密 CNC 加工、真空釺焊（鋁）或擴散焊接（銅）。加工良率直接影響冷板成本和散熱效能。
• 代表：Auras（雙鴻）、Cooler Master、Boyd Corporation、精研科技、中石科技等。

導熱介面材料（TIM）

• 填充晶片與冷板間微觀縫隙，決定 R_TIM。常見型別：高效能矽脂、相變材料、液態金屬。
• 關鍵供應商：信越、道康寧、霍尼韋爾、賽伍技術等。

液冷分配單元（CDU）

• 整合板式換熱器、迴圈水泵、膨脹罐、過濾器、電控與監控模組，是液冷系統的心臟。CDU 負責維持精確的流量、溫度和壓力。
• 代表：曙光數創、高瀾股份、英維克、Vertiv、Schneider Electric、世圖茲等。

冷卻液

• 水基配方：去離子水 + 防凍劑（乙二醇/丙二醇）+ 緩蝕阻垢劑。關鍵在材料相容性。
• 介電冷卻液：全氟碳化合物和氫氟醚等因環保法規收緊（PFAS 管控），推動合成碳氫、矽基等替代品加速研發。化工企業如 3M（近期宣佈退出 PFAS 製造）、科慕、日氟榮等。

關鍵連線件與管路

• 無溢漏快接頭：技術壁壘高，要求在高壓、高頻插拔下零洩漏，關鍵廠商如 Stäubli、Parker Hannifin、CPC（Colder Products）、國內的杭州航天精密、日豐、日出東方旗下企業等。
• 歧管（Manifold）和軟管：需要相容冷卻液、耐老化。

漏液檢測與監控

• 分散式感測器纜繩、區域控制器，能線上監測水質（電導率、pH）、流量、壓力及微量液體滲漏。供應商包括 nVent、AKCP、國內安之源等。

下游

超大規模雲端與 AI 企業

• 美國四大（AWS、微軟 Azure、Google Cloud、Meta）以及 Oracle 等：自研或聯合 OEM 設計液冷整機櫃，用於自建 AI 訓練叢集。例如Google的冷卻架構長期採用溫水液冷；微軟為 OpenAI 建置的超級計算機即採用冷板液冷。
• 中國網際網路/AI 巨頭：阿里雲端、騰訊雲端、字節跳動、百度、快手等，在東數西算政策下加速液冷伺服器部署，自建或租賃液冷資料中心。
• 獨立 AI 實驗室：如 xAI、Anthropic 等，同樣追求萬卡叢集，成為冷板液冷的新增需求方。

專業資料中心服務商

• 全球：Equinix、Digital Realty、CyrusOne 等，已推出液冷託管服務（如 Equinix Metal），支援企業部署高密度機櫃。
• 國內：萬國資料、世紀互聯、光環新網、資料港等第三方 IDC，改造部分機櫃為液冷區，滿足客戶高功率需求。

伺服器 OEM 與整機櫃方案

• 直接向下遊提供預裝冷板的液冷伺服器：Dell PowerEdge、HPE（Cray）、聯想 ThinkSystem、浪潮資訊 NF 系列、超微（SuperMicro）液冷系統、新華三等。

需求驅動

• AI 訓練：大型模型引數擴張使單次訓練所需計算量指數上升，GB200 NVL72 將 72 塊 GPU 液冷整合在一個機櫃，代表需求頂點。
• AI 推論：邊緣高併發推論場景也開始看到液冷需求，尤其是延遲敏感的推論晶片功耗上升。
• 政策合規：中國新建大型資料中心 PUE 須低於 1.25（2025 年目標），北上廣深經信委要求更嚴（如 1.2 以下），風冷方案幾無可能達標，液冷成必選項。

受益公司

（基於公開資訊列舉產業鏈代表企業，不構成投資建議）

精密冷板與導熱

• Auras、Cooler Master、Boyd、雙鴻、精研科技、中石科技等散熱大廠，已為輝達、AMD 及伺服器廠商提供定製冷板。

CDU 及系統整合

• 曙光數創：同時具備冷板和浸沒雙路線，承建液冷資料中心逾百兆瓦。
• 高瀾股份：從電力電子冷卻衍生至資料中心冷板 CDU，參與多個大型液冷專案。
• 英維克：精密溫控，推出面向液冷資料中心的整體解決方案。
• Vertiv（維諦技術）、Schneider Electric：全球資料中心基礎設施巨頭，液冷 CDU 及系統服務覆蓋廣泛。

伺服器/整機櫃 OEM

• 聯想：海神 Neptune 溫水冷卻技術，已在全球超算中心商用。
• 浪潮資訊：釋出全液冷整機櫃 InCloud，相容輝達方案。
• HPE/Cray：為美國能源部超算系統提供液冷。
• 超微：提供大規模部署的預裝冷板系統。

快接頭與管路

• Stäubli、Parker、CPC 佔據高階市場，專利壁壘高，國內航天精密、日豐等加速國產替代。

冷卻液

• 水基配方新增劑方案由安美特、納爾科等水處理廠商協助；介電液領域隨著 3M 退出，科慕等擴大生產，國內巨化股份、多氟多等加快自主研發。

終端使用者自研與白盒整合

• 輝達聯合富士康等設計參考機櫃；北美雲端巨頭自研液冷方案，帶動供應鏈。

市場參與者眾多，但競爭優勢在於全棧交付能力——從冷板、CDU 到監控的一體化工程，以及服務超大型客戶的總包經驗。

市場規模

（資料來自第三方公開報告，請留意更新，以下僅摘錄已知資訊。）

• 全球市場：據 Mordor Intelligence 2024 年報告，2023 年全球資料中心液體冷卻市場規模約 23.5 億美元，預計到 2028 年達 65.3 億美元，對應複合年增長率約 22.7%。冷板式液冷在營收中佔比超 60%，為絕對主力。
• 中國市場：中國資訊通訊研究院《中國液冷資料中心發展白皮書》（2023）指出，2022 年中國液冷資料中心市場規模約 58 億元人民幣，預計到 2027 年突破 300 億元，期間增速顯著刺激於 AI 智算中心建設與 PUE 紅線。
• 滲透率：據 IDC 2024 年資料，2023 年液冷伺服器佔全球伺服器出貨量的滲透率約 3–5%，預計到 2027 年將提升至 12–15%，AI 伺服器領域滲透率已超 25%。
• 產能與供給：公開報道顯示，主流冷板產線投資在 2023–2024 年間增長 3–4 倍，產能瓶頸主要體現於微通道焊接良率和高階快接頭交期（當前領先供應商交期約 12–20 周）。

以上數字可能因統計口徑（是否含本土 IDC、浸沒式營收等）而有所差異，以各機構原始報告為準。

玩家對比

技術路線對比（再梳理）

維度	冷板單相	浸沒單相	冷板兩相
可維護性	高（快接，開蓋易）	低（起吊、排液）	中
基礎設施改造	低	高（定製液箱）	中
工質成本	低	中	極高
環保風險	低	中（油類處理）	高（PFAS 議題）
當前部署體量	最大	較小	極少

主要方案代表

• 曙光數創：冷板與浸沒雙矩陣，全棧交付，在科教、超算及智算領域已有數百兆瓦專案。
• 英維克：精密空調起家，液冷全鏈條覆蓋，聯合整合商提供模組化 CDU，廣泛應用於國內頭部雲端商。
• Vertiv/維諦：全球基礎設施巨頭，提供 Liebert 品牌 CDU、機櫃製冷分配，服務於全球主流資料中心。
• 高瀾股份：擅長水冷系統，從特高壓延伸至資料中心冷板，提供大流量 CDU。
• 聯想：Neptune 溫水冷卻不需低溫水，大幅改善自然冷卻時長，在 HPC 市場知名度高。

在價效比和運維友好度上，冷板單相佔據絕對主導，浸沒式則在特定高密度、特殊環境場景發揮優勢。

風險

技術路線變動風險 若浸沒式液冷技術成熟度及成本改善快於預期，或在環保約束下直接向兩相浸沒演進，現有冷板產業鏈的投資回報可能被稀釋。

環保法規不確定性 PFAS 類全氟烷基物質（部分氟化液）在歐美面臨更嚴格的限制甚至淘汰時間表。若冷卻液必須更換，將引發裝置相容性更新、成本上升，可能延緩專案部署。

供給端瓶頸 高階無溢漏快接頭的精密加工和密封技術高度集中於少數廠商，交期長且價格昂貴，若全球 AI 叢集建設同步爆發，可能造成關鍵部件短缺，拖累交付進度。

獲利率下行壓力 大量資本湧入冷板、CDU 製造環節，產能急速擴張，價格競爭可能提前到來。部分環節（如 CDU）已從定製化走向標準化，議價能力下降。

宏觀經濟與資本支出波動 巨頭資本支出受宏觀景氣影響，一旦 AI 投資熱度回撥，液冷裝置訂單可能階段性收縮。

運維複雜性隱患 雖然洩漏率極低，但液冷部署仍對運維人員技能要求更高，若缺乏嚴格水質管理和漏夜監測，可能發生腐蝕穿孔等安全事故，影響大規模推廣信心。

誤讀糾偏

誤讀 1：液冷就是水直接澆在晶片上 糾偏：冷板式液冷中液體全程在密封金屬管路內流動，不與電路接觸。即使意外洩漏，快接頭自動封閉、漏液繩秒級報警即可切斷環路，災難性短路幾無可能。材料和水質管理是工程重點，已形成成熟體系。

誤讀 2：液冷資料中心完全不需要空調 糾偏：液冷僅帶走 CPU/GPU 約 70–90% 的熱量，記憶體、網絡卡、電源模組等仍有 10–20% 熱負荷需由空氣冷卻，機房需保持適當通風和輔助降溫，最終形態是“液冷為主，風冷為輔”。

誤讀 3：浸沒式液冷一定優於冷板，是未來方向 糾偏：浸沒式擁有極高熱流潛力但對伺服器改造大、維護複雜、液體相容性與安全性挑戰多。冷板式相容現有伺服器生態，運維簡易，在全生命週期 TCO 和工程風險上佔優，更受主流廠商和大客戶認可，二者長期更可能並行而非取代。

誤讀 4：冷板液冷 PUE 一定低於 1.1 糾偏：PUE 與整體架構設計密切相關，若二次側仍用冷水機組而未利用自然冷卻，PUE 可能僅剛低於 1.2。要實現 1.05 左右的極致值，必須搭配高溫回液和乾冷器全年自然冷卻。

誤讀 5：液冷整機櫃可覆蓋所有功耗場景，風冷已無用武之地 糾偏：低密度企業資料中心或邊緣節點，風冷仍是最經濟簡單的方案。液冷滲透主要發生在高密度場景，風冷與液冷將長期共存。

最新事件

• 2024 年 3 月：輝達釋出 GB200 NVL72，整機櫃採用冷板式液冷，單櫃功率約 120 kW，標誌著液冷成為旗艦 AI 晶片標配。
• 2024 年：中國《關於加快建置全國一體化大數據中心協同創新體系的指導意見》落地，新建大型 PUE 不高於 1.25，部分地區要求 1.2 以下，液冷資料中心專案集中開工。
• 2024–2025：3M 宣佈退出全氟化合物製造，推動介電液供應商調整，科慕、巨化等加速版面配置替代品，為兩相液冷和浸沒式液冷帶來新配方。
• 2024 年 Q2：Meta 公佈下一代液冷訓練叢集細節，採用 open compute 冷板方案；微軟、Google亦擴大溫水液冷部署。
• 2025 年初：中國通訊標準化協會更新 YD/T 4024-2022 液冷交付運維標準，細化水質和漏夜檢測要求；OCP 更新 Cold Plate 設計指南，介面進一步標準化。
• 2025 年 H1 展望：隨著輝達 B100/B200 系列交付，冷板液冷生態從 GPU 基板到機櫃歧管形成更強鎖定，快接頭廠商宣佈擴產 200%。

追蹤指標

1. AI 加速器功耗趨勢：輝達、AMD 下一代 GPU 的 TDP，單晶片功耗持續上升是液冷需求倍增的直接訊號。
2. 液冷伺服器滲透率：IDC、Gartner 每季度公佈的液冷伺服器出貨佔比，尤其關注 AI 伺服器領域。
3. 資料中心 PUE 監管動態：國內各省市的新建/改建資料中心 PUE 要求，以及實際批覆的液冷專案數量。
4. 快接頭與冷板產能：主要供應商資本支出、交期和價格走勢，反映供給緊張程度。
5. 介電冷卻液環保政策：各國對 PFAS 的立法進展，以及替代產品認證情況。
6. CDU 招投標價格：反映標準化水平和競爭格局，可作為產業鏈獲利率先行指標。
7. 雲端巨頭資本支出：AWS、Azure、Google、Meta 及國內 BAT 的資本支出展望，直接影響液冷部署規模。
8. 新技術路線試點：浸沒式液冷大規模部署的新聞，或兩相冷板走向量產的里程碑。

信源

• 輝達《NVIDIA HGX H100 Thermal Design Guide》《GB200 NVL72 Design Brief》
• OCP Advanced Cooling – Cold Plate Specification（最新版本）
• ASHRAE TC 9.9 Thermal Guidelines for Data Processing Environments
• Mordor Intelligence《Data Center Liquid Cooling Market - Growth, Trends, and Forecasts》(2024)
• IDC 全球伺服器市場追蹤報告（2024）
• 中國資訊通訊研究院《中國液冷資料中心發展白皮書》（2023）
• CDCC 資料中心工作組年度技術報告
• 曙光數創、高瀾股份、英維克等公司年報/招股書
• YD/T 4024-2022《液冷資料中心交付及運維技術要求》
• 各 OEM 廠商技術白皮書：聯想 Neptune、HPE Cray 冷卻方案等
• IEEE ITherm、SEMI-THERM 會議論文
• 專業媒體報道：Digitimes、InfoQ、Data Center Dynamics 等