不要告诉别人「AI服务器终极散热方案是液冷？」ai服务器厂家排名服务器散热原理

点击蓝字

关注我们FOCUS ON US

传统风冷散热不堪重负，液冷技术腾空出世

AI三大基石芯片、算力、算法。芯片和算力就是生产力，为了获得超凡算力，人们不断寻求更快的处理器、更高效之硬件。AI算力持续增加，CPU和GPU性能不断提升，芯片功耗和发热量随之攀升，以NVIDIA的H200系列GPU芯片为例，其TDP已达到700W。

传统风冷存在散热极限。风冷散热原理是让空气在散热片表面流动，以带走热量。目前市面上的风冷散热器，最高可承受275W的功率。传统风冷散热已无法满足主流AI服务器散热要求。

液冷技术腾空出世。液冷散热原理是让液态冷却剂在服务器内部循环流动，通过与发热元件进行热交换带走热量。热冷散热的散热效率更高，还可以对冷却剂进行精确控制，适应不同的工况环境，缺点是成本较高。

液冷散热获得官方认可。中国三大运营商 2023年6月联合发布了《电信运营商液冷技术白皮书（2023 年）》，明确将推进冷板式液冷与单相浸没式液冷两种技术路线，并明确2023年-2025年推进计划：

02 何为液冷散热？

液冷散热是一种以液体作为冷媒，利用液体流动将数据中心IT设备内部元器件产生的热量传递到设备外，使IT设备的发热部件得到冷却，从而保证IT设备在安全温度范围内运行的冷却方式。液冷主流方案主要分为冷板式、浸没式。浸没式液冷根据冷却液是否发生相变可再分为相变浸没式液冷和非相变浸没式液冷。

冷板式液冷是通过铜、铝等导热性较好的金属构成的冷板散热器，将发热元器件的热量传导给散热器中的冷却液体，将热量带走的冷却方式。

浸没式液冷是一种直接接触型液冷，将服务器等有散热需求的IT设备（计算芯片CPU，处理芯片总线、内存、I/O等）完全浸没在冷却液中，通过液体的循环流动进行冷却。其中相变浸没式液冷是目前发展较快的技术，其工作原理为冷却液对发热器件降温气化，再通过冷却后液化进而循环利用，散热效率更高，噪音更低。

服务器散热是否全部替换为液冷方案？

显然不是。数据中心的散热方式为强制风冷和液冷。风冷方式技术已较为成熟，液冷技术是近几年由于数据中心对散热需求的提升而催生的新型制冷需求。

据了解，目前数据中心主要有以下三种散热方案：

1、设计专门依靠液冷的新数据中心，创建具有巨大计算能力的更小、更高效的数据中心。

2、设计采用风冷，但也包含液冷方案，以简化未来过渡过程的数据中心。

3、数据中心操作人员将液冷集成到现有风冷设施中，通常将部分风冷方案转变为液冷方案。

不同类型数据中心的推荐制冷方式

资料来源：《绿色数据中心高效适用制冷技术及应用》，海瑞芳华资本整理

液冷散热需要解决哪些问题？

1）成本问题。液冷系统成本构成包括材料成本较高（冷却液、散热器、管道等），除此之外设计和制造复杂程度高，安装和维护成本高，以及为获得高度可靠性，投入也更高。

2）可靠性问题。

稳定性：液冷冷却液的化学稳定性可能不足，导致其在使用过程中发生变质、氧化或产生有害物质，影响冷却效果和系统运行稳定性。

漏液：一旦发生液体泄漏，管路堵塞等事故时，现有的间接液冷系统无法及时检测故障，从而无法保证服务器的安全。

兼容性：数据中心的某些设备不适用液冷系统，需要进行额外的适配及改造。

液冷有哪些上下游产业链？

液冷散热产业生态包括上游产品零部件提供商、中游液冷服务器提供商及下游的算力使用者，重点介绍冷板式和浸没式液冷系统。

冷板式液冷系统原理

浸没式液冷系统原理

1 上游

海瑞芳华资本整理

冷板式液冷系统主要由CDU、冷源、冷却液、液冷管路和液冷机柜组成，浸没式液冷系统主要由CDU、冷源、液冷管路、浸没腔体、IT设备及冷却液组成。

（1）液冷冷量分配单元（CDU）

CDU用于二次侧高温冷却液与一次侧冷源进行换热，为液冷IT设备提供冷量分配和进行温度、压力、流量监控管理的模块，具备换热、循环驱动、冷却液净化及储液功能。CDU主要由换热器/冷凝器、循环泵、过滤器、储液罐，以及附件（阀门、管路、接头、传感器等）组成。

（2）冷源

液冷系统的室外冷源可以根据条件选用干冷器、闭式冷却塔、冷水机组等。

（3）液冷管路

管路是连接换热冷板、冷量分配单元、热交换单元和室外冷源的必要部件。一般来说，循环管路按其不同的连接方式，可分为直连式(异程式)和环路式(同程式)两种。

（4）冷却液

常用的冷板式冷却液包括水、乙二醇、丙二醇等，这些冷却液具有较高的比热容和较低的粘度，可以快速吸收设备产生的热量，并将其传递给热交换器进行散热。

常用的浸没冷却液（绝缘性）包含矿物油、碳氟化合物等，其中，相变冷却只能采用不燃性的碳氟化合物。冷却液介质和各部件材质之间的兼容性是影响浸没式相变液冷系统性能的关键因素之一。

目前，可用于浸没式相变冷却的氟化液种类较少，主要供应商为3M公司，我国浸没式液冷仍处于发展萌芽期。

（5）密封腔体

用于盛放相变冷却液。腔体密封必须对冷板、管路、接头等部位进行密封，保证其安全无泄漏，以保障电源、信号传输的完整性以及数据中心的安全性。因此需要定制密封用的部件，如橡胶垫片、出液接头、通电连接器、信号连接器等。

（6）液冷机柜

液冷机柜主要由液冷板、分集水单元（manifold）、管路、连接器、快速接头、分液器、压缩机（可选）等构成。

液冷式冷板作为一个热量传递单元，相当于制冷系统内的蒸发器，是一种单流体的热交换器，为制冷系统设计的关键技术之一，一般由盖板、肋片、底板和封条4个部分组成。

分集水单元（manifold）是连接液冷冷量分配单元与液冷服务器冷板的装置，一般内置于机柜内，其功能为向各层冷板均匀分配冷却液流量，并汇集吸热后流出的冷却液，通过连接管路送至液冷冷量分配单元。

快速接头包含主体和终端两个部分，主体是实现液体快速接头连接与密封功能的主要单元，终端作为接头的安装端口，用于液体快速接头的安装固定。

（7）控制系统

控制系统监控和调节冷却系统的运行，包括温度和压力传感器，用于测量散热并调整泵速或冷却剂流速。

（8）过滤和净化装置

过滤器用于清除液体冷却剂中的碎屑和颗粒，确保系统的性能和寿命。紫外线杀菌或化学处理等方法可净化冷却液。

2 中游

中游主要是液冷散热系统，即将散热器、水泵、管道、冷却液等关键零部件，集成到一个系统中，这些公司需要一定的技术实力和生产能力，确保产品质量和性能。

3 下游

下游算力使用者包括数据中心、超级计算机、AI服务器、电子设备、新能源汽车、激光器、变频器等工业设备，甚至航空航天领域也会使用到液冷散热技术。

由于液冷技术具有高效制冷的特点，液冷数据中心及其基础设施主要应用于高性能计算机的领域，液冷技术目前应用的行业主要有互联网、金融、电信、能源、生物、医疗等。

其中，互联网为目前液冷数据中心的核心客户，具备较大数据需求，覆盖人群广泛，业务体量大，对于数据中心的算力需求较高，单机柜功率密度达到10kW以上。

液冷产业化处于哪个阶段？

目前液冷数据中心的各类验证已经基本通过，未来三年将是液冷技术规模扩张的阶段。技术层面，当前市场主流的液冷解决方案为冷板散热；产业发展层面，从基础设施到AI设备的全栈交付模式已基本成为行业共识；客户层面，互联网和电信这前两大数据中心行业应用客户已对液冷技术展现出积极认可。

据相关行业公司披露的2023年半年报显示，其液冷数据中心已累计建设超过260MW，涉及科技、能源、政府、金融、互联网等多个行业。

AI液冷散热有多大市场空间

据财信证券数据，我国数据中心液冷市场规模将从2022年的69.99亿增长至2025年的358.77亿元以上，其中AI数据中心液冷市场规模将从从2022年的55.52亿增长至2025年的279.64亿元，年复合增长率达76.2%。按照产品分类划分，未来浸没式液冷产品凭借其制冷效率更高，有效降低数据中心PUE的优势，将在市场占据更多的市场份额，预期将从2019年的18%（冷板式液冷产品占比为82%）增长至2025年的41%。