晶片直冷
3秒看懂
晶片直冷是把冷板直接貼合到晶片（CPU、GPU、ASIC）表面，通過迴圈冷卻液將熱量帶走的液冷技術。當AI晶片功耗突破風冷極限後，它成為高密度伺服器的主流散熱方案。
3分鐘產業解釋
隨著AI訓練和推論晶片（如NVIDIA H100/H200/B200、AMD MI300X）熱設計功耗（TDP）從300 W向1000 W甚至更高量級攀升，傳統熱管+高轉速風扇組合在噪聲、散熱密度和能效上的天花板已充分暴露。晶片直冷（冷板式液冷）通過微通道、射流或多孔介質冷板貼合晶片，讓去離子水或專用介電液體在封閉流道內迴圈，以遠低於風冷散熱器的總熱阻（低於0.05 K/W）帶走數百瓦甚至上千瓦的熱量。
整個系統由冷板、熱介面材料（TIM）、快接頭、分集水器、二次側管路、CDU（冷量分配單元）和外部冷卻環路構成。CDU負責精準控制二次側冷卻液的溫度、流量和壓力，將其維持在晶片結溫安全範圍，同時避免低於露點造成冷凝。外部冷源多采用冷卻塔或乾冷器，全液冷基礎設施能將年均PUE推至1.1以下，先進案例可達1.05以下。相比浸沒式液冷，直冷方案無需完全浸泡主機板，改動小、維護簡便，已成為AWS、Azure、Google Cloud、阿里雲端、字節跳動等超大規模資料中心部署AI訓練叢集的首選液冷路線，並被OCP（Open Compute Project）納入標準化推進計劃。
技術原理
晶片直冷的核心是建立一個低熱阻、高效換熱的封閉迴路。熱量從晶片傳遞到冷卻液的總熱阻 R_{total} 可分解為：
R_{total} = R_{TIM} + R_{spreading} + R_{convection} + R_{caloric}其中，R_{TIM} 為熱介面材料熱阻（依賴TIM導熱係數和厚度），R_{spreading} 為熱擴散熱阻（取決於冷板基底厚度和材質），R_{convection} 為對流熱阻（由流道結構、流速和流體物性決定），R_{caloric} 為流體吸熱升溫引入的熱阻。
單相對流換熱遵循：
Q = dot(m)\,c_p\,\Delta T \quadtext(且)\quad Q = h\,A\,(T_{wall} - T_{fluid})dot(m) 為質量流量，c_p 為比熱容，h 為對流換熱係數，A 為有效換熱面積。微通道技術通過將水力直徑縮至百微米量級，大幅增加比表面積，從而在緊湊空間內獲得極高的 hA 值，但相應增加了流阻（壓降通常控制在10–20 kPa）。系統設計目標是在給定流量和允許壓降下，使 R_{total} < 0.05\ mathrm(K/W)，以保證在冷卻液供水溫度32 ℃時，晶片結溫 T_j 低於85 ℃的安全閾值（行業典型目標，具體取決於晶片廠商規格）。
兩相直冷則利用低沸點介電流體在冷板微通道內發生核態沸騰，吸收氣化潛熱。沸騰時，對流換熱係數 h 急劇上升，可在同等溫差下帶走更多熱量，並可有效抑制晶片熱點（區域性熱流密度超過500 W/cm²）。但兩相系統需精確管理蒸汽迴流、避免區域性乾涸，同時對系統壓力和工質充裝量敏感。
CDU (板式換熱器+泵)
│
二次側供水總管 (18 ~ 32 ℃)
│
┌──────────┴──────────┐
│ │
快速接頭 (支援熱插拔) 分集水器
│ │
▼ ▼
┌─────────┐ 管路 → 冷板 (銅/鋁鍍鎳)
│ 冷板 │ │ 微通道/射流結構
│ │ │ 出水口
└────┬────┘ └───→ 回液管 → CDU回水
TIM (導熱膏/銦箔)
┌─────────┐
│ 晶片 │
│(GPU/CPU)│
└─────────┘關鍵引數
- 解熱能力：單相冷板可穩定支援300 W–1000 W TDP，下一代產品設計目標1200 W以上（公開資料未見統一行業標準，數值來源於主流伺服器廠商參考設計）。
- 總熱阻：設計目標通常低於0.05 K/W，高效能微通道產品可低至0.03 K/W（來源：CoolIT、Asetek等廠家技術白皮書，2023年）。
- 冷板流阻（壓降）：在設計流量（約0.5–2.0 L/min）下，冷板壓降約5–20 kPa，需與CDU泵揚程匹配。
- 冷卻液供水溫度：由CDU精確控制在18–32 ℃（典型值），下限不能低於當前環境露點，上限受晶片結溫規格限制。
- 冷卻液品質：去離子水電導率 < 1 μS/cm，pH 6.5–8.0，含緩蝕劑與殺菌劑，避免微生物滋生和冷板腐蝕。
- 快接頭可靠性：支援熱插拔次數 > 10,000 次（典型值），洩漏檢測系統響應時間 < 1 秒。
- 系統PUE：全液冷架構可實現年均PUE < 1.10，最優案例可達1.05以下（來源：OCP液冷案例分享，2023年）。
- TIM導熱係數：常用導熱膏約4–10 W/(m·K)，銦箔等金屬介面材料可達80 W/(m·K)以上。
- 單機架功率密度：單相冷板方案可支援單機架30–50 kW以上，配合行級CDU可擴充套件至100 kW（來源：Vertiv、Schneider Electric參考架構，2024年）。
技術路線
| 特性 | 單相冷板直冷（當前主流） | 兩相冷板直冷 | 浸沒式液冷（對比參照） |
|---|---|---|---|
| 散熱能力 | 約100–300+ W/cm²（取決於微通道設計） | 可超過500 W/cm²（相變強制對流） | 單相浸沒自然對流<20 W/cm²；兩相浸沒約100–150 W/cm² |
| 熱阻（典型） | <0.05 K/W | <0.03 K/W | >0.2 K/W |
| 系統複雜度 | 管道、CDU、防漏系統 | 需蒸汽管理、壓力控制 | 全密封箱體，維護困難 |
| 對伺服器改造 | 小，僅替換散熱器 | 小，需相容兩相工質 | 大，需移除風扇並定製機箱 |
| 冷卻工質 | 去離子水/丙二醇溶液 | 低沸點介電液（如3M Novec、Chemours Opteon等） | 介電液 |
| 生態成熟度 | 成熟，OCP標準化推進中 | 新興，僅少數供應商試產 | 生產就緒但成本高 |
| 主要限制 | 高功率密度下需最佳化微通道流阻 | 工質環保法規（PFAS限制）、成本、壽命 | 裝置成本高、機房承重及消防改造 |
注：表中數值為行業公開範圍，具體效能受到冷板設計、流量、工質種類和晶片封裝形式影響。
上游
冷板及關鍵零部件
- 冷板設計與製造：Cooler Master、Boyd Corporation、Asetek、Auras、CoolIT Systems、曙光數創、英維克、高瀾股份、通快。
- 熱介面材料（TIM）：信越化學、Henkel、Parker Lord、Laird（DuPont）、貝格斯、飛榮達、中石科技。
- 快速接頭：Stäubli、Parker Hannifin、Swagelok、華鯤振宇、通快等。
- CDU與泵閥：Vertiv、Schneider Electric、CoolIT、Motivair、華為數字能源、維諦技術、申菱環境、依米康、同飛股份。
- 冷卻液：3M（Novec系列）、Chemours（Opteon系列）、Solvay、潤禾材料、巨化股份等；去離子水系統由水處理廠商配套。
核心裝置
- CDU（冷量分配單元）：整合板式換熱器、迴圈泵、過濾器、膨脹罐和控制器，是液冷系統的心臟。
- 外部冷源：閉式冷卻塔、蒸發冷或乾冷器，供應商包括BAC、Evapco、良機等。
下游
- 超大規模雲端服務商：AWS、Microsoft Azure、Google Cloud、阿里雲端、騰訊雲端、字節跳動，在AI訓練叢集中大規模採用。
- AI廠商及算力租賃：CoreWeave、Lambda Labs、國內智算中心（如北京智源、上海智算等）。
- 企業高效能運算（HPC）：金融量化、生命科學、氣候模擬、EDA等領域自建液冷機房。
- 電信與邊緣計算：運營商（中國移動、中國電信、中國聯通）在算力網路節點部署液冷伺服器。
- 信創與政務雲端：受PUE考核政策驅動，國產晶片伺服器配套冷板液冷。
受益公司
以下列舉產業鏈相關企業，只做產業對映，不構成任何投資建議。
- 國際：CoolIT Systems（被KKR收購，2023年）、Asetek（OSE、Nasdaq Copenhagen上市）、Vertiv（NYSE: VRT）、Boyd（私有）、Cooler Master（私有）、Wieland（通過收購Boyd部分冷板線）。
- 國內上市公司（按程式碼排序）：
- 曙光數創（872808.BJ）：冷板及CDU核心供應商，2023年營收9.32億元（來源：公司2023年年報）。
- 英維克（002837.SZ）：提供冷板式液冷全鏈條產品，2023年營收35.29億元，其中液冷相關營收未單獨揭露，年報中強調液冷業務快速增長。
- 高瀾股份（300499.SZ）：為伺服器冷板提供液冷解決方案，2023年液冷相關營收佔總營收比重逐步提升（年報）。
- 依米康（300249.SZ）、申菱環境（301018.SZ）、同飛股份（300990.SZ）：提供液冷CDU及溫控裝置。
- 飛榮達（300602.SZ）、中石科技（300684.SZ）：TIM及散熱材料供應商。 注：以上財務資料均來源於各公司年度報告，統計口徑為該公司整體營收，液冷業務分拆資料公開資料未見獨立揭露。
市場規模
- 全球：據MarketsandMarkets報告《Data Center Liquid Cooling Market – Global Forecast to 2028》（2023年釋出），2023年全球資料中心液冷市場規模約31億美元，預計2028年將達到78億美元，複合年增長率（CAGR）約20.2%。口徑包含冷板式、浸沒式及相關服務，直接晶片冷卻佔主要份額（具體份額公開資料未見獨立拆解）。
- 中國：根據賽迪顧問《中國液冷資料中心市場研究報告》（2023年），2022年中國液冷資料中心市場規模約560億元人民幣，預計2025年將超過1200億元，增速顯著高於全球平均。其中冷板式液冷滲透率持續提升，受“東數西算”政策要求PUE<1.25驅動明顯。
- 出貨量參照：IDC（2024年6月）報告指出，2023年全球液冷伺服器出貨量達到165萬臺，年增率增長超80%；2024年預計將突破280萬臺。液冷滲透率在全新部署的高階AI伺服器中已超過50%（來源：IDC《Worldwide Quarterly Server Tracker》，2024Q1）。
- 注意：以上資料均為研究報告預測值，實際結果可能因技術路線和宏觀環境而變化，不構成預測承諾。
玩家對比
（選取代表公司，僅作產業特徵對比，不帶任何價值判斷）
| 企業 | 主業型別 | 冷板技術路線 | CDU能力 | 快接頭 | 客戶群參考 | 2023年業績（來源：年報） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CoolIT Systems | 全棧液冷 | 微通道單相冷板，研發兩相 | 自研機架級CDU | 自研 | CoreWeave、多家OEM | 2023年被KKR收購，此前營收數億美元（公開資料未見精確值） |
| Asetek | 冷板與解決方案 | 微通道、射流冷板 | 與OEM合作CDU | 無 | 超大規模DC、HPE等OEM | 2023年資料中心液冷業務約2.1億美元（公司年報） |
| Vertiv | 基礎設施 | 整合冷板 | 提供CDU及整機架方案 | 外購 | 全球運營商 | 全年營收73.1億美元，液冷佔比未單獨揭露 |
| 曙光數創 | 冷板、CDU | 微通道冷板+多形態CDU | 自研CDU，支援大冷量 | 合作開發 | 國內運營商、智算中心 | 2023年營收9.32億元（年報） |
| 英維克 | 精密溫控 | 冷板、兩相均版面配置 | 有CDU產品線 | 無 | 網際網路、運營商 | 2023年營收35.29億元，液冷列入戰略業務 |
| 華為數字能源 | 基礎設施 | 自研冷板+CDU | FusionCol系列 | 自研快接頭 | 國內政企、運營商 | 未單獨上市，液冷營收未公開 |
以上資訊來源於公開年報及企業官網，部分非上市企業資料公開資料未見，無法完整量化對比。
風險
- 標準不統一：冷板尺寸、快接頭介面、CDU協議尚未形成行業強制統一標準，OCP雖在推進，但各伺服器ODM仍存在異構設計，導致互操作性風險和庫存成本。
- 環保法規衝擊：PFAS（全氟和多氟烷基物質）限制法規（如歐盟REACH修訂案）可能禁止部分氟化冷卻液的使用，直接衝擊兩相冷板和浸沒液冷，單相冷板也可能受波及。3M已於2022年宣佈退出PFAS製造，計劃2025年底前停止所有氟化液生產，迫使供應鏈向替代工質轉型。
- 專利壁壘：微通道結構、射流陣列、快接頭密封等核心技術專利集中在少數先發企業，國內廠商出海可能面臨智慧財產權風險。
- 成本波動：銅、鋁等原材料價格波動影響冷板製造成本；高精度微通道加工（如光刻、電鑄）產能有限。
- 競爭加劇與獲利率壓力：液冷賽道吸引大量新進入者，冷板價格持續下行，單純提供模組化冷板的廠商獲利空間被壓縮，系統整合商和提供運維服務的廠商護城河更寬。
- 運維能力不足：液冷系統需要具備流體力學、電化學和自動化知識的運維工程師，資料中心現有運維團隊轉型存在人力瓶頸。
- 技術路線不確定性：兩相冷卻若在工質和成本上取得突破，可能侵蝕單相冷板市場；同時晶片級嵌入式冷卻等下一代技術長期可能顛覆現有架構。
誤讀糾偏
- 誤讀：“晶片直冷就是把伺服器泡在水裡” 糾偏：直冷是冷板貼合晶片，冷卻液在冷板內部密閉迴圈，不接觸電子元件。真正的浸泡式冷卻為浸沒式液冷，兩者結構截然不同。
- 誤讀：“用了晶片直冷，風扇可以全部拆除” 糾偏：資料中心中，電源模組、儲存、網絡卡、擴充套件I/O等仍需空氣冷卻，因此多采用液冷+風冷混合方案，冷板只覆蓋主要計算晶片。伺服器內部依然保留低轉速風扇輔助散熱。
- 誤讀：“液冷一旦漏水，伺服器瞬間燒燬” 糾偏：商用冷板系統採用正壓執行，搭配高可靠性快速接頭（可承受數萬次插拔），洩漏率極低。冷卻液為去離子水或非導電介電液，微量洩漏不會立即導致短路。洩漏檢測系統可在數毫秒內報警並關斷。
- 誤讀：“單相冷板只適合中低功率，高功率必須用兩相” 糾偏：通過微通道最佳化，單相冷板已廣泛支援1000 W級晶片，下一代設計瞄準1200 W+。兩相冷板在更高功率和熱點抑制上有優勢，但並非唯一路徑。
- 誤讀：“液冷會大幅增加機房重量和複雜度” 糾偏：冷板式液冷增加的系統自重有限（主要為CDU和少量管路），機房承重要求通常低於浸沒式。對現有架構改造小，整體實施複雜度可控。
最新事件
- 2024年3月：NVIDIA釋出Blackwell平台GPU（B100/B200），TDP高達1000 W，液冷版DGX B200、HGX B200採用直接晶片冷卻，液冷成為預設配置之一。NVIDIA同時推出配套液冷參考架構，加速生態鏈適配。
- 2024年4月：CoolIT Systems宣佈為CoreWeave大規模AI叢集部署新一代高密度單相冷板，單機架功率達70 kW。
- 2024年5月：英特爾釋出Gaudi 3 AI加速器，TDP約900 W，合作伙伴包括Supermicro、HPE推出直接冷板液冷方案。
- 2024年6月：中國電信釋出《液冷技術白皮書（2024版）》，要求新建AI智算中心液冷比例超過80%，並給出冷板式液冷規模化部署時間表。
- 2024年7月：歐盟化學品管理局（ECHA）公佈PFAS限制草案公眾諮詢結果，預計部分關鍵氟化液將在2026年前後受到嚴格限制，影響兩相和浸沒冷卻工質，推動無PFAS冷卻液研發。
- 2024年8月：曙光數創釋出年報後揭露新一代40 kW單機架微通道冷板，並開始向海外超大規模資料中心送樣。英維克宣佈中標某網際網路巨頭數千套液冷機櫃專案，液冷業務進入放量通道。
- 2024年9月：OCP Global Summit上釋出新版冷板式液冷標準草案，首次統一了快接頭尺寸和電氣介面，有望降低多供應商互操作成本。
追蹤指標
- 主流AI晶片TDP：NVIDIA、AMD、Intel、華為昇騰等釋出的下一代晶片功耗上限，是液冷需求的前置訊號。
- 液冷伺服器出貨量及滲透率：IDC、Gartner釋出的季度伺服器追蹤資料中的液冷佔比。
- 關鍵零部件價格：銅、鋁、TIM原材料價格指數；快接頭、冷板加工產能利用率。
- CDU及冷板供應商營收增速：如Asetek季報、曙光數創、英維克等液冷業務增速。
- PFAS法規進展：歐盟REACH修訂案、美國EPA相關法規動態，影響冷卻液可用性。
- 標準演進：OCP Advanced Cooling Solutions工作組釋出的規範版本。
- PUE與水資源限制：各地區PUE監管紅線收緊（如新加坡<1.3），以及缺水地區對蒸發冷卻的限制，推動液冷採用。
- 新工質研發與量產：無PFAS介電液（如3M替代品、Chemours新一代工質）的商用進度。
- 大型智算中心中標與投運：國內三大運營商及網際網路企業液冷集採專案規模與中標份額。
- 專利訴訟與授權：微通道、快接頭等核心專利的動態，影響進入者成本。
信源
- OCP Advanced Cooling Solutions – 冷板式液冷標準化文件。
- NVIDIA Data Center Liquid Cooling – 官方冷卻方案
- 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.
- 《中國液冷資料中心市場研究報告》 – 賽迪顧問, 2023.
- IDC Worldwide Quarterly Server Tracker, Q1 2024.
- Asetek 2023 Annual Report – https://ir.asetek.com
- 曙光數創 2023 年年度報告 – 北交所揭露檔案。
- 英維克 2023 年年度報告 – 深交所揭露檔案。
- CoolIT Systems 官方公告及新聞稿 – https://www.coolitsystems.com/news/
- 3M PFAS 戰略更新 – https://news.3m.com
- 中國電信《液冷技術白皮書（2024版）》 – 中國電信研究院。
- ECHA PFAS 限制提案 – https://echa.europa.eu
本頁內容基於公開資料與研究彙總，不作任何投資參考或預測。數字均標註來源與統計口徑，若有引用不準確或未覆蓋的領域，請以原始資料為準。