熱管理

1 三秒看懂

熱管理是保障高算力晶片及電子器件在安全溫度下穩定執行的系統工程，涵蓋從電晶體結到大氣全鏈路的散熱設計與熱量輸運。在 AI 大型模型訓練與推論的驅動下，單晶片功耗已突破千瓦級，熱管理從“輔助配套”上升為算力釋放的核心物理瓶頸，直接決定晶片實際可用效能、資料中心 PUE 及總擁有成本。誰掌握下一代冷卻能力，誰就握住了 AI 基礎設施的一張關鍵牌。

2 三分鐘產業解釋

當每秒執行萬億次浮點運算時，大量電能轉化為焦耳熱。若無法及時排走，晶片結溫會在毫秒級時間內超標，輕則強制降頻、算力驟降，重則永久性損壞。熱管理本質是全鏈路的“熱量搬運”，覆蓋晶片到大氣三個層次：

• 晶片級（封裝內）：熱介面材料（TIM1/TIM2）、導熱封裝、微流道液冷片，將電晶體熱點熱量迅速擴散至封裝外殼。
• 系統級（伺服器/機櫃內）：風冷（熱管、均溫板、翅片）、冷板式液冷、浸沒式液冷，將封裝熱量傳遞給空氣或液體介質。
• 設施級（資料中心/機房）：精密空調、液冷分配單元（CDU）、冷水機組、冷卻塔，最終將熱負載排放至室外環境。

AI 訓練叢集的功率密度已突破傳統風冷的物理極限，冷板式液冷和浸沒式液冷正成為下一代資料中心的標配。產業鏈價值集中在高導熱介面材料、高效能冷板、液冷快接頭、CDU 及具備系統方案能力的整合商。

3 技術原理

熱管理是多學科交叉的系統工程，其核心是串聯熱阻的最小化與高效散熱面積的建置。

傳熱路徑與熱阻網路

熱量從電晶體溝道→矽襯底→第一層熱介面材料（TIM1）→整合散熱蓋→第二層熱介面材料（TIM2）→散熱器（或冷板）→流體→室外環境。每一環節的熱阻 Rθ = 溫差/功率（℃/W），等效於電學中的電阻。總熱阻 Rθ_ja = Rθ_jc + Rθ_cs + Rθ_sa。任一環節熱阻偏高，都會形成“熱瓶頸”，導致晶片在到達安全結溫上限前即被迫降頻，峰值算力無法完全釋放。

在 2.5D/3D 封裝中（如 CoWoS），邏輯晶片與 HBM 堆疊產生層間熱串擾，不同晶片的熱流密度差異巨大，區域性熱點的熱流密度已普遍超過 200 W/cm²（據行業論文公開資料），需要冷卻方案在極小面積內實現超高導熱能力。

傳熱三大機理

• 熱傳導：傅立葉定律 q = -k ∇T，k 為導熱係數（W/(m·K)）。矽的 k 約 130，銅約 400，而高分子 TIM 的 k 通常只有 3–15，是整個熱路中最薄弱的環節。金剛石（>2000）、石墨烯等高導熱材料正在被嘗試用於突破這一瓶頸。
• 熱對流：牛頓冷卻公式 q = h (T_surface - T_fluid)，h 為對流換熱係數。空氣自然對流 h 約 5–25 W/(m²·K)，強制風冷可達 100；液體強制對流可達數千，流動沸騰相變換熱可破 10⁴。這正是液冷相對風冷產生數量級優勢的根本物理基礎。
• 熱輻射：在晶片尺度因溫差小、表面積小，通常可忽略；僅在機櫃表面和大型管道中作為輔助考慮。

冷卻模式能效邊界

• 風冷：依靠熱管/均溫板及翅片強迫對流，熱流密度上限約數十 W/cm²，超過後風扇功耗指數上升，噪聲與能效劇降。
• 冷板式液冷：冷卻液（去離子水/乙二醇混合物）流經微通道冷板直接帶走熱量，熱流密度可達 100–300 W/cm² 以上，資料中心 PUE 可降至 1.05–1.10。
• 單相浸沒式：伺服器完全浸入介電液體，形成均勻溫度場，系統 PUE 可低於 1.03，但存在材料相容性與維護複雜度。
• 兩相浸沒/晶片直噴：利用低沸點工質沸騰汽化潛熱，瞬時熱流密度可再提升一個臺階，但系統控制架構和工質環保性挑戰較大。

4 關鍵引數

熱管理方案的選擇與評估圍繞以下核心工程引數展開：

• 熱阻 Rθ_jc 與 Rθ_ja（℃/W）：從晶片結到封裝殼、再到環境的總熱阻。先進 AI 晶片的目標 Rθ_jc 通常要求低於 0.01 ℃/W 量級（定性），每一代製程升級必須同步降低熱阻，否則無法實現頻率和功耗提升。
• 熱設計功耗（TDP）：散熱方案必須能穩定耗散的功率上限，不是晶片實際功耗，而是硬體熱預算的約束條件。當前旗艦 AI 加速器 TDP 已達 700–1000 W（據廠商公開規格，2024年）。
• 熱流密度（W/cm²）：單位面積散熱量，反映冷卻方案應對區域性熱點的能力。風冷常規方案約 10–30 W/cm²，冷板液冷可達 200+ W/cm²，浸沒兩相可達 500 W/cm² 以上（定性區間，基於公開文獻）。
• PUE（電能利用效率）：資料中心總能耗/IT 裝置能耗，越接近 1 越好。大型風冷資料中心 PUE 常年在 1.4–1.6，液冷方案（冷板+自然冷卻）可在寒冷地區實現 1.05 以下。我國部分地區已強制新建大型資料中心 PUE≤1.25。
• 泵耗與冷卻功耗比：液冷系統自身泵、CDU 控制等功耗須佔 IT 功耗的 2–5% 以下，否則經濟性會被顯著侵蝕。
• 長期可靠性指標：TIM 泵出/幹化、微通道腐蝕或堵塞、冷板密封失效、介電液衰減等故障模式，影響 MTBF 和安全運維。快接頭的插拔壽命通常要求 >10,000 次。
• 工質環保與安全特性：介電流體的臭氧消耗潛值（ODP）應為零，全球變暖潛值（GWP）需符合法規，且閃點、急性毒性需滿足資料中心執行安全。

5 技術路線

熱管理技術路線的演進由晶片功耗和環保政策雙輪驅動。當前主要路線對比與可選路徑如下：

維度	傳統風冷	冷板式液冷	單相浸沒式液冷	兩相浸沒/晶片噴霧
典型散熱能力（定性）	中低，區域性熱點易瓶頸	高，熱點直接接觸	中高，全域性均勻	極高，利用相變潛熱
典型 PUE	1.3–1.6	1.05–1.10	1.02–1.05	<1.03
改造/部署成本	基準	中（需 CDU、管路、歧管）	高（定製浸沒槽、介質）	高（精密溫控、工質昂貴）
可維護性	極佳	良好（快接、盲插成熟）	一般（吊裝、密封、介質置換）	較複雜（系統控制門檻高）
材料相容性風險	低	中（電化學腐蝕、冷板洩漏）	高（高分子材料溶脹、線纜相容）	高
工質舉例	空氣	去離子水+緩蝕劑	合成烴、氟化液（全氟碳）	低沸點氟化液

演進歷程簡述

• 2010 年代：均溫板（VC）與熱管普及，GPU 單卡功耗突破 300 W，行級空調與冷熱通道封閉成為資料中心標配。
• 2016–2020 年：部分超算率先採用溫水冷板，冷板液冷從定製走向初步標準化。
• 2021–2025 年：AI 加速器 TDP 躍升至千瓦級，NVIDIA H100/B200 等旗艦產品原生支援並推薦液冷方案，冷板液冷供應鏈進入大規模複製階段，浸沒式在邊緣和超大規模雲端廠商開始早期規模部署（基於行業公開資訊）。

6 上游

熱管理上游包含高導熱材料、精密加工元件、冷卻介質與核心零部件。

高導熱材料

• 熱介面材料（TIM）：包括導熱墊片、導熱凝膠、導熱矽脂、燒結銀、金剛石複合材料等。高導熱凝膠的需求增長最快，單晶片價值量隨著散熱面積和熱阻要求提高而上升。高階領域正在引入石墨烯、液態金屬等方案，仍處於可靠性驗證階段。
• 散熱基板與蓋板：金剛石銅、鋁碳化矽（AlSiC）、氮化鋁等高導熱低膨脹複合材料，在先進封裝中用於匹配晶片與散熱器間熱膨脹係數，降低接觸熱阻。主要供應商分佈在日、美、中。

精密加工

• 微通道冷板：銅/鋁蝕刻或 3D 列印，擴散焊或真空釺焊成型。高密度微通道（深寬比 >10）的製造良率是瓶頸。臺系及大陸散熱廠商均已掌握量產能力，但超高功率定製冷板仍以區域性供應商為主（公開資料未見明確產能份額資料）。
• 熱管與均溫板：銅粉燒結毛細結構或網芯，產線高度自動化，中國大陸為全球主要產能基地。

冷卻介質

• 水基冷卻液：去離子水新增緩蝕劑、殺菌劑，成本低，環保限制小，為冷板主流方案。
• 介電液：全氟碳化物、氫氟醚、合成烴等。受全球 PFAS（全氟及多氟烷基物質）環保法規收緊影響，部分傳統高階介電液（如 3M Novec 系列）面臨停產和替換壓力，國產替代正在加速，但高階品種的產能和純度一致性仍有追趕空間（據 2024 年行業調研公開資訊）。

核心零部件

• 快接接頭：液冷管路盲插快接件的密封性、壽命與流阻是系統可靠性的關鍵，主要供應商為歐美及部分本土企業，近年來國產化率有所提升。
• CDU 與泵閥：液冷分配單元集成了泵、換熱器、過濾器、控制系統，定製化程度高，高可靠不鏽鋼泵及智慧控制器為核心。
• 感測器：漏液檢測帶、溫度/壓力/流量感測器，構成運維安全邊界。

7 下游

熱管理方案的最終需求由以下四大類場景定義：

• AI 訓練/推論伺服器：由輝達、AMD、英特爾等晶片廠及 OEM/ODM（如廣達、英業達、浪潮等）定義散熱規格。當前 AI 訓練叢集是液冷滲透最快的市場，要求冷板可覆蓋 GPU、HBM、網絡卡及部分功率元件，且支援 48U+ 整機櫃快接。
• 超大規模雲端服務商：北美頭部及國內雲端廠商正制定各自液冷標準，並在部分自研整機櫃中全液冷化，推動去冷機方案。這些廠商的資本支出決策直接影響產業鏈稼動率。
• 邊緣計算與 ADAS：邊緣 AI 盒子、自動駕駛域控制器在嚴苛環境溫度（高達 65°C+）和密閉外殼中執行，需要緊湊、抗振動的熱管/均溫板或主動熱電製冷方案。
• 通訊基站與功率半導體：5G 基站 AAU、IGBT/SiC 功率模組的熱密度持續上升，其散熱技術在介面材料、燒結銀、直接銅鍵合等環節與 AI 晶片熱管理存在協同。

8 受益公司

（本部分基於公開市場資訊與行業認知整理，僅描述產業環節和代表性公司業務，不構成任何投資建議）

• 散熱模組/冷板：雙鴻科技、奇鋐科技、Auras、高力熱處理等臺系廠商，長期為伺服器 ODM 配套熱管、均溫板及冷板；大陸方面，飛榮達、中石科技等提供模組與介面材料組合方案。
• 液冷整體解決方案：曙光數創（冷板與浸沒方案，國內大型液冷專案經驗豐富）、浪潮資訊（液冷整機櫃）、英維克（CDU、精密空調、冷板管路）、高瀾股份（電力電子液冷延伸至資料中心）等。
• 浸沒式冷卻：LiquidStack（被 bitcoin 及 AI 資料中心採用）、Iceotope（精密單相浸沒），以及數家本土創業公司。3M 曾為介電流體主要供應商，現部分業務已轉入 Solventum 並面臨 PFAS 調整（2024 年公開動態）。
• 熱介面材料：漢高（Henkel）、Laird（現杜邦旗下）、信越、富士高分子等外資，中石科技、德邦科技等本土企業在高導熱凝膠和墊片上快速迭代。
• 資料中心基礎設施：Vertiv、Delta、依米康等提供精密空調、列間空調及液冷管路分配系統。

9 市場規模

熱管理市場受制於資料統計口徑不一（僅散熱元件、含液冷系統、或整體資料中心冷卻），多個來源提供參考區間：

• 全球資料中心冷卻市場：據 Grand View Research 2023 年報告，2022 年全球資料中心冷卻市場規模約為 143 億美元，預計 2023–2030 年複合年增長率約 15%，液冷子領域增速遠超平均。
• 中國液冷伺服器及基礎設施：根據 IDC 2023 年 12 月釋出的資料，2023 年上半年中國液冷伺服器市場規模達到 6.6 億美元，年增率增長約 50%；2022 年全年為 10.1 億美元。賽迪顧問 2023 年報告顯示，2022 年中國液冷資料中心基礎設施市場規模約 40 億元人民幣，並預測 2025 年將突破 100 億元。
• 熱介面材料：據 BCC Research 等，2023 年全球熱介面材料市場規模約 25 億美元，其中導熱凝膠等高價值品類佔比持續提升，增速與 AI 晶片出貨強相關。
• 關鍵零部件：液冷快接頭市場，據國內券商測算 2023 年全球約 3–5 億元人民幣，遠期隨液冷機櫃滲透有望迎來批次擴產（來源：券商研究報告 2024 年）。

需要指出，各機構對“液冷市場”的口徑差別（含/不含伺服器、冷板、CDU、工程服務）較大，橫向對比時需注意邊界條件。公開資料未見統一的官方權威數字，上述資料僅作為數量級參考。

10 玩家對比

以下對比聚焦冷板與浸沒兩大主要路線有代表性的解決方案商及其定位（基於公開資訊，截至 2025 年 3 月）。

廠商	主要路線	核心產品/優勢	典型客戶/案例	全球化版面配置
曙光數創	冷板 + 浸沒	國內大規模浸沒專案經驗, CDU/管路一體化	國內超算中心、國有雲端	中國大陸為主
英維克	冷板液冷 + 傳統空調	CDU、機櫃冷量分配、精密空調	網際網路、運營商	出海初期
浪潮資訊	冷板整機櫃	液冷整機櫃 “InCloud”，聯合頭部網際網路	國內頭部雲端服務商	藉助伺服器渠道全球
LiquidStack	兩相浸沒	專為 AI/區塊鏈設計的 CDU 與槽體	北美加密/GPU 資料中心	美、歐
Iceotope	單相浸沒	精密單相密封機箱，可支援邊緣	電信、工控、高校	英、歐、美
雙鴻 / 奇鋐	冷板 + 散熱模組	冷板、VC、熱管精密製造，成本控制強	伺服器 ODM（廣達、英業達等）	全球，製造在亞洲

對比要點：冷板方案產業鏈更具連續性，易於從風冷平滑升級，已被主流 AI 伺服器平台採納；浸沒式在 PUE 和散熱極限上更優，但客戶需調整運維體系與建築承重，生態閉環仍需完善。玩家定位因此分化：大部分 OEM 及方案商在冷板路線發力，初創及少數專業化公司主攻浸沒細分。

11 風險

• 技術路線分歧：冷板與浸沒路徑尚未統一，不同雲端廠商可能選擇不同路線，導致產能投資錯配或生態碎片化。若未來出現顛覆性封裝內冷卻技術，可能削弱現有外部液冷的價值鏈。
• 環保法規與工質風險：PFAS 相關法規（歐盟 REACH、美國 EPA 等）正逐步限制全氟類介電流體，導致部分傳統高效能浸沒液供應中斷或成本飆升。替代介質的長期可靠性和供應鏈成熟度尚需驗證（基於 2024–2025 年公開政策動態）。
• 供應鏈產能與同質化：冷板微通道加工、高可靠快接頭、高階 TIM 等仍存在產能瓶頸，交期拉長可能制約大型專案部署；同時，低端熱管/均溫板門檻較低，易造成同質化競爭和毛利率壓力。
• 客戶集中與資本支出波動：下游客戶集中在頭部雲端廠商和伺服器 OEM，其採購策略和季度資本支出調整會放大上游業績波動。
• 系統可靠性事故：液冷系統若發生批次漏液或生物汙染，可能導致資料中心安全事故，引發行業性信任危機。

12 誤讀糾偏

• ❌ “只要風扇轉速夠高，風冷就能壓住 AI 晶片” ✅ 風冷受限於空氣低比熱容和邊界層熱阻，即使無限提高風速，單位面積散熱量也存在上限（通常 <100 W/cm²）。旗艦 AI 晶片的熱流密度已遠超此閾值，必須引入液體或相變冷卻才能維持標稱頻率，否則只能降頻執行。
• ❌ “應用液冷後，資料中心就不需要空調” ✅ 液冷雖可取消大部分伺服器風扇和降低壓縮機制冷比例，但 CDU 仍需將熱量排放至室外，通常通過冷卻塔或冷水機組完成。浸沒式同樣需要外部冷源，並非完全取消暖通設施。
• ❌ “熱管理只是散熱模組廠的事” ✅ 熱管理是系統性問題，晶片設計階段就要規劃熱通孔與電源網路；封裝選用的 TIM 直接決定 Rθ_jc；伺服器主機板版面配置影響流道；資料中心建築級冷量分配涉及管井與管道。全鏈路均有技術壁壘和獲利池。
• ❌ “液冷會大量浪費水資源” ✅ 冷板液冷通常為閉式迴圈，耗水量極低（僅補漏）；採用蒸發冷卻塔時會有少量蒸發消耗，但遠低於傳統冷水空調方式。若使用乾冷器或海水源等，幾乎不消耗淡水。

13 最新事件

（以下資訊截至 2025 年 4 月，源自公開新聞與行業公告）

• 2024 年 3 月：NVIDIA 釋出 GB200 NVL72 機架級系統，採用直接晶片液冷方案，原生要求液冷部署，標誌著千億引數模型訓練全面進入液冷時代。
• 2024 年 6 月：OCP 開放計算專案釋出 Advanced Cooling Liquid 規範更新，為冷板快接頭、CDU 介面制定統一尺寸和電氣訊號定義，推動多廠商互操作。
• 2024 年 8 月：曙光數創透露其承建的某國家級超算中心大規模單相浸沒液冷專案交付，單櫃功率密度超過 50kW。
• 2024 年 10 月：3M 正式宣佈退出大部分 PFAS 製造（包含部分氟化液），多家資料中心企業啟動介電液替代驗證，國產氟化液廠商（如巨化、新宙邦等）加緊送樣測試。
• 2025 年 1 月：工業和資訊化部等部門釋出《新型資料中心發展三年行動計劃（2025-2027 年）》（公開徵求意見稿），要求新建大型及以上資料中心 PUE 進一步降至 1.2 以下，明確鼓勵液冷和餘熱利用。
• 2025 年 2 月：某頭部國際雲端廠商在其年度財報電話會中表示，2025 年所有新建 AI 資料中心將 100% 採用冷板液冷，並開始嘗試兩相浸沒方案的小規模驗證（公開電話會紀要）。

14 追蹤指標

• 晶片功率與熱流密度趨勢：關注 NVIDIA、AMD、英特爾下一代 AI 晶片的 TDP 及熱流密度指標，若單晶片 TDP 突破 1200 W，將加速兩相和微流體冷卻需求。
• PUE 政策執行力度：國內各省市對新建和存量資料中心 PUE 的達標期限與監管強度，直接影響液冷改造節奏。
• 液冷方案滲透率：季度伺服器 OEM 出貨中液冷機型佔比，以及大型雲端廠商公開的液冷機櫃數量。IDC/賽迪等機構定期釋出相關滲透率資料。
• 核心零部件出貨與價格：液冷快接頭、CDU、介電液的單季度出貨量與價格走勢，冷板微通道加工交期。
• 關鍵材料國產化率：高階氟化液的國產送樣通過率、金剛石銅複合材料的量產進展、燒結銀可靠性資料等。
• 標準與生態：OCP、ODCC 等聯盟的液冷標準更新，以及伺服器 ODM 公板設計的冷板介面統一化程序。
• 環境法規動向：PFAS 禁令範圍和時間表變化，推動下一代綠介質的研發和認證進度。

15 信源

產業組織與標準

• OCP Advanced Cooling Solutions 工作組：定期釋出液冷冷板、浸沒液、快接頭等硬體設計規範。
• 開放資料中心委員會（ODCC）：釋出中國資料中心液冷技術白皮書及標準。
• ASHRAE TC 9.9：制定資料中心環境與熱管理指南，全球採用最廣的溫度/溼度包線。

市場研究機構

• IDC（International Data Corporation）：釋出季度/年度液冷伺服器市場追蹤報告，區分冷板與浸沒。
• Grand View Research、MarketsandMarkets、BCC Research：全球資料中心冷卻及熱介面材料市場規模與預測。
• 賽迪顧問、前瞻產業研究院：中國液冷基礎設施市場規模與競爭格局分析。
• 國內外券商（如中金、中信、摩根士丹利等）的行業深度研究報告（請注意具體資料口徑和揭露宣告）。

學術與工程前沿

• IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
• IEEE ITherm（Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems）會議論文集
• ECTC（Electronic Components and Technology Conference）關於先進封裝熱管理的年度論文
• 《傳熱學》（楊世銘等）、《電子裝置熱設計》（謝德仁）等經典教材

企業官方資訊

• NVIDIA、AMD、英特爾等晶片廠商的散熱設計指南與白皮書。
• 主要液冷方案商（曙光數創、英維克、浪潮、高瀾等）的定期報告與產品規格書。
• 中石科技、漢高、Laird 等 TIM 廠商的產品資料手冊及應用案例。

新聞與行業門戶

• 中國電子報、IT之家、36氪、DataCenter Dynamics 等技術媒體對液冷專案的追蹤報道。
• 相關公司年度/季度財報電話會公開記錄。

注：本文涉及的所有定量財務、市場、份額、產能數字均力求標註年份、口徑與來源；因線上檢索條件受限，部分最新資料可能無法即時核驗，若標註為“公開資料未見”或“定性區間”，請讀者以權威機構原始報告為最終依據。