兩相液冷

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兩相液冷是通過工質在發熱器件表面沸騰（液相→氣相）吸收巨大相變潛熱，再在冷凝端重新液化釋放熱量，形成封閉相變迴圈的超高密度散熱方案。它直接解決單晶片熱流密度突破 100 W/cm² 後風冷與單相液冷無法觸及的散熱瓶頸，使單機櫃可穩定承載 50–100 kW 級別功率，將資料中心電能使用效率（PUE）壓至 1.05 以下，是目前支撐萬卡級 GPU 叢集價效比最高的散熱技術路線之一。

2. 3 分鐘產業解釋

AI 大型模型訓練推動單 GPU 功耗從 300 W 快速衝至 700 W 甚至 1000 W，傳統風冷已無法在不降低晶片頻率或大幅增加佔地面積的情況下將其冷卻。單相液冷雖提升了一個數量級，但僅靠液體顯熱升溫搬運熱量，依舊面臨冷板面積、流量、供液溫度等多重約束。兩相液冷將低沸點介電液直接在冷板微通道或浸沒腔體內加熱至沸騰，每克工質從液體變為蒸汽可吸收的熱量，是同等溫升下不沸騰液體的數十倍，因此能以極小的工質流量搬運巨大熱負載。

該技術當前主要分為兩條落地路徑：直接兩相冷板（D2C，Direct‑to‑Chip two‑phase）和兩相浸沒式液冷（Two‑phase Immersion Cooling）。前者將微通道冷板貼裝在 GPU/CPU 頂面，工質在冷板內沸騰；後者將伺服器整機浸入敞口或密封的介電液槽中，晶片散熱通過液體沸騰自然驅動迴圈。微軟（Azure）自 2021 年起在量產環境部署兩相浸沒冷卻；阿里雲端仁和資料中心大規模採用兩相浸沒液冷，單機櫃功率密度超 50 kW；曙光數創則在超算中心交付百兆瓦級相變浸沒液冷系統。海外兩相冷板方案商 CoolIT Systems、Boyd Corporation 正在將方案整合至主流 AI 伺服器平台。

產業上下游聯動頗為緊湊：上游為氟化液化工、微結構冷板/浸沒槽體、密封與壓力控制組件；中游為液冷系統整合商，交付冷卻分配單元（CDU）、機架級歧管及整體控制系統；下游是超大規模雲端廠商、AI 算力平台、伺服器 ODM/OEM 及晶片廠商，後者正從單純採購散熱模組轉向與散熱方案商聯合設計熱管理架構。

3. 技術原理

3.1 沸騰傳熱基礎

兩相液冷利用的是核態沸騰區的極高傳熱係數。加熱面溫度略高於工質沸點時，微小氣泡在成核點連續生成、脫離並上升，強烈擾動邊界層，使傳熱係數可達 10⁴–10⁵ W/(m²·K)，遠超單相對流。在此區域內，晶片表面溫度被牢牢鉗制在工質沸點附近，不會出現風冷場景下結溫隨功耗線性跳升的現象。

3.2 系統迴圈架構

典型兩相液冷迴圈由蒸發段、上升管、冷凝器、下降管及不凝氣體分離裝置構成。工質在蒸發器（冷板微通道或浸沒腔）沸騰形成汽液兩相混合物，密度差驅動蒸汽上升至外部冷凝器；在冷凝器中蒸汽向二次冷卻水或乙二醇溶液放出潛熱並冷凝為液體；凝液靠重力或毛細力經下降管迴流至蒸發器，實現無泵自然迴圈（熱虹吸）。對於管路阻力較大的大型部署，可增加低功耗工質泵輔助驅動，形成泵驅兩相迴路。

3.3 沸騰增強結構

為防止沸騰危機，冷板或浸沒腔關鍵傳熱面均設計有微米/奈米級多孔塗層或微通道。這些結構可大幅降低沸騰起始過熱度，增加成核點密度，同時利用毛細抽吸及時補充液體，延緩區域性乾涸，將臨界熱流密度（CHF）推至 150 W/cm² 甚至更高。部分方案引入針肋、液流渦發生器，通過分離汽液通路來維持穩定核態沸騰。

3.4 冷凝與不凝氣體管理

系統通常維持微正壓，避免外部空氣和水分滲入。空氣中溶解的不凝氣體會在冷凝器內積聚，嚴重降低冷凝傳熱係數，因此必須設定連續或間歇自動排氣裝置。部分設計將不凝氣體收集至獨立腔體，由氣體分離膜或小型真空泵排至環境。

3.5 冷卻液化學與熱物性

兩相液冷工質需同時滿足高汽化潛熱、適當沸點（40–60 ℃）、低全球變暖潛值（GWP）、高介電強度、化學惰性及長期熱穩定性。典型工質為氫氟醚（HFE）和全氟化碳（PFC）族，如 3M Novec 649（沸點 49 ℃，汽化潛熱 88 kJ/kg）、Novec 7000（沸點 34 ℃），以及索爾維 Galden 系列。這些液體不導電，即使沸騰浸沒亦不會引發短路。

4. 關鍵引數

• 單晶片熱流密度（熱設計功率）：當前旗艦 AI 訓練 GPU 熱設計功耗（TDP）已達 700–1000 W，晶片面積約 800 mm²，對應熱流密度 80–125 W/cm²；兩相液冷可承載力 >150 W/cm²，留有充足餘量。（來源：輝達 H100/B200 資料表，2023/2024）
• 單機櫃散熱能力：兩相浸沒方案單機櫃可穩定散熱 50–100 kW，實驗性部署可達 140 kW；兩相冷板方案單機櫃 40–80 kW。（來源：曙光數創產品手冊 2023，CoolIT 方案白皮書 2024）
• 工作液沸點與操作溫區：常用工質沸點 34–61 ℃。晶片結溫可通過冷卻液溫度及液‑固熱阻控制在 55–75 ℃，遠低於風冷場景的 85–100 ℃，有利於延長器件壽命。
• 汽化潛熱：優質工質汽化潛熱多在 85–120 kJ/kg，約為水的 1/20，但因相變迴圈，總工質迴圈量遠小於單相液冷所需流量。
• 系統PUE：兩相液冷完全或部分去掉壓縮機，PUE 可穩定在 1.02–1.05；若配合自然冷卻塔並最佳化泵功，PUE 逼近 1.03。（來源：微軟 Azure 兩相浸沒實驗揭露，2022）
• 臨界熱流密度（CHF）：經表面增強後，兩相冷板 CHF 可達 150–200 W/cm²；兩相浸沒 CHF 約 50–90 W/cm²（與液體過冷度有關）。
• 工質充注量與洩漏率：浸沒式系統單機架充注量數十升至數百升，冷板式僅數升。系統全生命週期洩漏率要求極低，年洩漏率通常 <0.5 %。
• 介電強度：介電液擊穿電壓需 >30 kV（2.5 mm 間距），保證直接接觸高壓電氣元件安全。（依據 IEC 60156）

5. 技術路線

5.1 直接兩相冷板（D2C Two‑Phase）

將微通道沸騰冷板直接貼合至 GPU/CPU 頂蓋，工質在冷板內受控沸騰，蒸汽經管路彙集至機架級或列間冷凝器，凝液迴流。該路線與現有伺服器機械結構相容性較好，可複用大部分風冷或單相冷板基礎設施，改造成本相對可控。適用於 A100/H100/B200 等加速卡的集中冷卻。代表性廠牌包括 CoolIT Systems（被 Boyd 收購）、Wieland、Boyd Corporation 等。

5.2 開式/密閉兩相浸沒

伺服器主機板或整機浸沒在敞口或密閉金屬槽內的介電液中，晶片沸騰產生的氣泡直接升至液麵，在槽體上方的水冷盤管或外部冷凝器上凝結。蒸汽迴流無需額外管路，系統結構簡單，最大程度消除熱點，並可實現完全無泵熱虹吸迴圈。密閉設計需要堅固的壓力容器，並配備洩壓閥和真空破除器。代表部署包括微軟 Azure 的兩相浸沒機櫃、阿里雲端仁和液冷叢集、曙光數創曙光 6000 相變浸沒系統。

5.3 泵驅兩相迴路（Pumped Two‑Phase Loop）

在大型或多機架並聯方案中，完全依賴熱虹吸可能導致管路粗大、佈置受限。引入由磁力泵驅動的兩相流後，可在更細、更長的管路中維持穩定的質量流速，同時利用儲液罐主動調控系統壓力和過冷度。該路線在國內外超算中心（如曙光 5000 系列）中已有成熟應用。

5.4 混合型（Hybrid）

對同一資料中心，可對不同功率密度的機櫃組合使用：高密 GPU 機櫃用兩相冷板或浸沒，中低密度機櫃使用單相冷板或風冷，通過統一的冷卻水迴路和板式換熱器與外部散熱，逐步從風冷向全液冷演進。

6. 上游

兩相液冷的上游涵蓋介電冷卻液、微結構冷板/浸沒腔體、密封與壓力元件、CDU 核心件和感測器五大板塊。

• 介電冷卻液：長期由 3M（Novec™系列）和索爾維（Galden®）主導。3M 已於 2022 年宣佈將在 2025 年底退出全氟烷基和多氟烷基物質（PFAS）生產，影響 Novec 649/7000 供應。替代品開發加速，包括亞仕蘭（A-SAFE）、大金等新的氫氟醚配方，以及國內巨化股份、多氟多等版面配置的氟化液產線，但半導體級純度認證週期較長。（來源：3M 2022 年 12 月公告；公開行業報道）
• 微結構冷板與浸沒槽體：冷板內部銅/不鏽鋼微通道加工（光化學蝕刻、擴散焊）為核心壁壘。全球精密冷板供應商包括 Boyd、Wieland Thermal Solutions、Cooler Master，國內有科創新源、銳新科技等。浸沒槽體涉及金屬板密封焊接與防腐蝕處理，玩家包含專用裝置製造商和部分液冷整合商。
• 密封材料：氟橡膠（FKM）、全氟醚橡膠（FFKM）墊片與密封圈需耐受介電液溶脹，長期維持彈性，供應商以派克漢尼汾、杜邦、Trelleborg 為主。
• CDU 核心元件：板式換熱器（阿法拉伐、傳特）和磁力驅動泵（IWAKI、格蘭富）為 CDU 關鍵外購件。
• 感測器與控制器：壓力變送器、溫度感測器、介電液液位計及不凝氣體檢測模組，用於即時閉環調節，供應商分散。

7. 下游

兩相液冷的下游以超大規模雲端廠商、AI 算力平台及伺服器 ODM/OEM 為核心，並衍生出晶片廠商深度參與熱設計的新生態。

• 雲端廠商 & 網際網路巨頭：微軟、Meta、AWS 均公開進行兩相浸沒或冷板測試與部署。阿里雲端仁和液冷資料中心在 2020 年全球率先實現大規模兩相浸沒液冷商用，截至 2023 年累計交付數十兆瓦。（來源：阿里雲端基礎設施公眾號 2022、2023）
• AI 計算服務商與算力中心：國內各地新建的智算中心招標已明確要求液冷比例不低於 80%，部分專案指定兩相冷板或浸沒方案。兩相液冷有助於在有限市政電力容量下塞入更多算力。
• 伺服器 OEM/ODM：超微（Supermicro）、戴爾、聯想、浪潮、新華三等均推出與 CoolIT、Boyd 或自研合作的液冷伺服器平台，部分型號直接整合立管兩相冷板模組。伺服器設計階段與散熱方案商協同開發的熱模擬和結構匹配已為常態。
• AI 晶片廠商：輝達在 HGX/HGX‑NVL 參考設計中對冷卻方案提出明確熱阻和壓降指標，倒逼散熱供應商攻關兩相冷板方案；2024 年釋出的 Blackwell 平台將單 GPU 熱設計功耗提至 1000 W，兩相方案成為備受關注的配套選項之一。英特爾、AMD 在伺服器 CPU 路線圖中亦納入液冷支援。

8. 受益公司

以下列舉在產業鏈中版面配置兩相液冷技術或產品、並因此可能具備業務彈性的已上市公司或主要未上市實體（僅供參考，不構成任何投資建議）。

• 曙光數創（A 股）：國內相變浸沒液冷先行者，承接了多個大型超算中心液冷工程，2022 年公司營收中浸沒液冷專案佔比過半，具備全系統交付能力。（來源：曙光數創招股書、2022 年年報）
• 英維克（A 股）：精密溫控解決方案供應商，推出 Coolinside 液冷平台，包含冷板液冷和兩相冷板 CDU，已批次應用於算力中心。（來源：英維克官網、2023 年報）
• 高瀾股份（A 股）：電力電子熱管理與資料中心液冷雙主業，提供冷板式液冷管路和 CDU，部分專案涉及泵驅兩相迴路。（來源：高瀾股份 2023 年報）
• 雙良節能（A 股）：依靠換熱器與溴化鋰系統技術能力，向資料中心液冷 CDU 領域延伸，參與全浸沒液冷樣機研製。（來源：雙良節能公告，2023）
• Boyd Corporation（未上市）：通過收購 CoolIT Systems 和熱管理整合，成為全球兩相冷板方案頭號供應商，服務多家一線伺服器廠商。（來源：Boyd 官網，2024）
• Submer Technologies（未上市）：西班牙兩相浸沒方案新銳，獲得 Planet First Partners 及中國基石資本投資，推出 SmartPod 系列浸沒機櫃。（來源：Submer 官網，2024）

此外，3M 供應商退出催生的氟化液替代公司（如巨化股份、多氟多）亦間接受益於兩相液冷滲透率提升，但業務貢獻尚處早期。

9. 市場規模

兩相液冷仍屬整個資料中心冷卻市場中細分板塊，單獨規模未在主要研究機構報告中獨立拆分。以下給出液冷及浸沒液冷規模資料作為參照（公開資料未能獲得兩相液冷精確統計）。

• 據 Mordor Intelligence《Data Center Liquid Cooling Market Size & Share Analysis – Growth Trends & Forecasts (2024–2029)》，2023 年全球資料中心液冷市場規模為 26.2 億美元，預計 2029 年增長至 120.1 億美元，2024‑2029 年複合年增長率約 28.7 %。（口徑：含冷板、浸沒、混合等；來源：Mordor Intelligence, 2024）
• 其中浸沒式液冷（含單相與兩相）份額，按 MarketsandMarkets 2023 年資料約為 25 %，對應約 6.5 億美元。兩相方案憑藉極高能效比在浸沒式內部佔比仍在快速提升，但多數行業追蹤機構尚未給出獨立口徑。
• 根據曙光數創年報引用的第三方資料，中國液冷資料中心市場 2022 年規模約 60 億元人民幣，預計 2027 年突破 550 億元，其中浸沒液冷佔比將由不足 10 % 增至 25 %。兩相方案在浸沒液冷中佔比預計超 50 %。（來源：曙光數創 2022 年年報轉引賽迪顧問資料）
• 海外方面，Omdia 估計到 2028 年用於 AI 訓練的液冷 IT 負載將超過 15 GW，將直接拉動兩相液冷系統與工質需求。（來源：Omdia Data Centre Thermal Management 2024）

總體而言，兩相液冷市場仍處於滲透率由不足 2 % 向 5 % 躍升的早期快速放量階段，增速顯著高於液冷市場平均水平，但絕對規模有限。

10. 玩家對比

下表基於公開資訊整理全球主要兩相液冷系統解決方案商，側重於技術路線與商業化進度。未包含自研自用的雲端廠商。

玩家	技術形態	代表冷卻液 / 工質	典型部署	客戶參考
CoolIT Systems / Boyd (加拿大/美國)	直接兩相冷板	R134a 或其他低壓制冷劑、HFE	單機架 40–80 kW，配套 NVIDIA HGX 平台	Dell、HPE、聯想等伺服器 OEM
Submer Technologies (西班牙)	兩相浸沒（單相相容）	自研 SmartCoolant（含氟化液）	單個浸沒槽 50 kW，可擴容	金融、超算行業，歐洲多個站點
LiquidStack (美國)	兩相浸沒	介電液	單槽 100 kW 以上，用於邊緣/超算	2023 年獲投資，與美國 Co‑lo 合作
Asperitas (荷蘭)	兩相浸沒	環保非氟化液（A‑Safe 配方）	密閉模組化浸沒，注重迴圈經濟	歐洲 Tier‑3 資料中心
曙光數創 (中國)	兩相浸沒（相變冷板）	自研氟化液及定製工質	超算中心單機櫃 >50 kW，萬升級充注	國家級超算、智算中心專案
英維克 / 高瀾股份 (中國)	兩相冷板 / 泵驅兩相	對接 3M/國產氟化液	典型冷板式液冷機櫃，兩相 CDU	騰訊、運營商智算中心
阿里雲端 (中國)	自用兩相浸沒	定製工質，配合大型浸沒槽	仁和液冷叢集，單機櫃 50 kW+	內部阿里雲端業務

（來源：各公司官網及公開專案介紹，截至 2024 Q4）

上述對比顯示，直接兩相冷板方案更易與現有伺服器生態相容，海外已進入批次配套；兩相浸沒則更適合新建液冷專屬資料中心，初期投資較高但長期能效及功率密度上限更大。

11. 風險

• 工質環保與供應鏈風險：主流兩相冷卻液均為 PFAS 家族物質，歐盟 REACH 法規及美國 EPA 正逐步收緊對 PFAS 的管控。3M 已宣佈 2025 年底退出現有氟化液生產，替代品穩定供貨和半導體級認證需要時間，2025‑2027 年可能出現供應短缺與價格顯著上漲。（來源：3M 公告，ECHA 限用提案 2023）
• 成本與標準化障礙：兩相浸沒部署需要改造資料中心承重、管路與消防體系，初期 CapEx 較單相冷板高 30‑50 %。冷卻液全生命週期補液及回收處理成本不可忽視。目前尚缺統一介面、工質相容性標準，多供應商鎖定風險明顯。
• 熱失控與洩漏風險：即便工質不導電，蒸汽狀介電液如經洩漏與空氣混合可能形成可燃濃度，或長期吸入累積影響健康。密閉系統壓力超標則存在槽體變形、密封失效的風險，必須設定多重安全聯鎖。
• 維護複雜度：浸沒系統更換伺服器或 GPU 需要起吊、瀝乾液體，操作耗時，且需後續潔淨處理。兩相冷板系統雖然維護較易，但冷板內微通道堵塞將導致 CHT 危機，維修需整體回廠清洗。
• 能效的不確定性：PUE 1.02‑1.05 多在理想工況下實現，實際資料中心的冷卻塔、水泵、迴圈風機仍消耗可觀電力，且受環境溫溼度影響顯著，專案實際能效存在不及設計值的風險。
• 技術路線被替代風險：直接到晶片液冷的新路線（如單相噴射冷卻、微流道嵌入式冷卻）正在實驗室階段推進，若未來晶片整合微流體散熱成為主流，外部兩相液冷系統可能被顛覆。

12. 誤讀糾偏

• 糾偏一：兩相液冷並非一定浸沒。兩相冷板同樣利用沸騰傳熱，但冷卻液封裝在冷板內，不接觸 PCB，維護方式接近傳統冷板，是另一條獨立技術路線。
• 糾偏二：沸騰不會燒燬晶片。核態沸騰階段發熱面溫度由工質沸點附近控制，短時熱流衝高只會增加氣泡生成速率，晶片結溫保持平穩，不會像無冷卻那樣瞬間過熱。
• 糾偏三：兩相液冷不都是“零功耗”。雖然可用熱虹吸完全無泵執行，但在長管路多機架系統中仍需工質泵輔助；二次側的冷卻水泵和冷卻塔同樣耗電，PUE 最低極值約 1.02‑1.03，不可能低於 1.0。
• 糾偏四：並非所有介電液都安全環保。氟化液屬於溫室氣體，部分品種 GWP 較高，排放和洩露受控，選用時需核查當地環保要求。
• 糾偏五：兩相液冷不能直接應用於風冷型伺服器。需要伺服器主機板與電源適配，且將 GPU/CPU 蓋子更換為適用於沸騰介面材料或冷板的散熱底座，簡單浸泡風冷伺服器可能導致腐蝕、冷凝或氣泡無法有效散熱。

13. 最新事件

• 2024‑03：輝達 GTC 2024 釋出 Blackwell 平台 B200 GPU，TDP 達 1000 W，GB200 NVL72 整機櫃功率 120 kW。散熱方案白皮書突出直接液冷與兩相冷板的可能性。（來源：輝達官網及 GTC 演講）
• 2024‑04：CoolIT Systems 宣佈將新的直接兩相冷板應用於搭載 NVIDIA H200 的伺服器平台，單機架散熱容量達 80 kW。（來源：CoolIT 新聞稿）
• 2024‑06：曙光數創透露其在青島膠州建設的相變液冷產業基地一期投產，年產能可支撐 5000 個液冷機櫃，同時釋出第二代無泵相變浸沒系統。（來源：中科曙光/曙光數創 2024 年中期業績交流）
• 2024‑08：歐洲化學品管理局（ECHA）就 PFAS 全氟物質限用草案徵求公眾意見，可能進一步加速大型資料中心運營者尋找非氟化液替代方案。（來源：ECHA 官網）
• 2024‑09：微軟釋出《兩相浸沒冷卻：從研究到規模部署》技術論文，詳細揭露其 2021‑2024 年在 Azure 生產環境中執行的可靠性與能效資料，PUE 中位數 1.03。（來源：Microsoft Research 技術報告，2024）
• 2025‑01：阿里雲端仁和雙相液冷叢集獲評國家綠色資料中心案例，單機櫃密度提升至 60 kW，累計執行時間超過 3 年的工質損耗率 <0.3 %/年。（來源：工信部綠色資料中心名錄，阿里雲端基礎設施公眾號）
• 2025‑02：Submer 與中國資料中心運營商萬國資料（GDS）簽署戰略協議，計劃在馬來西亞柔佛資料中心試點兩相浸沒方案。（來源：Submer 新聞稿）

14. 追蹤指標

• 氟化液現貨價格與供應情況：3M 退出進展、巨化/多氟多等國內產能爬坡節奏、ECHA PFAS 限用法規表決時間，直接影響工質獲取成本和專案經濟性。
• 輝達/AMD GPU 熱設計功耗走勢：封裝功耗與熱流密度越大，兩相冷板滲透率越高。關注 Blackwell Ultra、Rubin 以及 MI400 的 TDP 變化。
• 液冷伺服器出貨量佔比：IDC、Counterpoint 每季度伺服器追蹤報告中液冷滲透率，華為、浪潮、新華三液冷機型出貨比例。
• 雲端廠商資本支出與 PUE 展望：微軟、Meta、阿里