隨著智算中心芯片功耗持續(xù)攀升，單機(jī)柜熱密度大幅提升，傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)已難以滿足高密度算力場景的散熱需求。液冷技術(shù)憑借其高效散熱、節(jié)能降噪等優(yōu)勢，正逐步成為未來智算中心的核心散熱技術(shù)。本文將深入分析液冷技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)、驅(qū)動因素及主流技術(shù)路線。
一、液冷：未來智算中心的核心散熱技術(shù)
液冷與風(fēng)冷技術(shù)相比，具有顯著優(yōu)勢：溫度傳遞快、帶走熱量多、噪音低、節(jié)能且節(jié)省空間。英偉達(dá)最新商用GB200系列及后續(xù)產(chǎn)品均采用冷板液冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)100%全液冷架構(gòu)，液冷覆蓋CPU、GPU、內(nèi)存等核心部件。
二、智算中心液冷系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 液冷系統(tǒng)通用架構(gòu)
液冷系統(tǒng)通用架構(gòu)可拆解為機(jī)房側(cè)和ICT設(shè)備側(cè)兩部分：
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機(jī)房側(cè)：進(jìn)一步分為一次側(cè)和二次側(cè)
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一次側(cè)：包含冷卻塔、一次側(cè)管網(wǎng)、一次側(cè)冷卻液（通常為水）。室外側(cè)為外部冷源，如冷水機(jī)組、冷卻塔或干冷器，熱量轉(zhuǎn)移主要通過水溫升降實(shí)現(xiàn)。
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二次側(cè)：包含CDU（冷量分配單元）、液冷機(jī)柜、二次側(cè)管網(wǎng)和二次側(cè)冷卻液。室內(nèi)側(cè)包括供液環(huán)路和服務(wù)器內(nèi)部流道，熱量轉(zhuǎn)移主要通過冷卻液溫度升降實(shí)現(xiàn)。
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兩個部分通過CDU中的板式換熱器發(fā)生間壁式換熱。
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ICT設(shè)備側(cè)：浸沒式采用Tank安裝制冷工質(zhì)，ICT設(shè)備浸沒其中；冷板式主要采用冷板貼附于核心熱源（CPU、GPU、內(nèi)存等）上方。
2.2 制冷工質(zhì)的選擇
| 液冷類型 | 常用工質(zhì) |
|---|---|
| 冷板式 | 乙二醇/丙二醇溶液（基于防凍考慮）或去離子水 |
| 浸沒式 | 氟化液、礦物油（如硅油）等 |
三、液冷技術(shù)的主要驅(qū)動因素
3.1 驅(qū)動因素一：液冷相比風(fēng)冷單位成本下降，散熱能力更好
高散熱：液冷系統(tǒng)常用介質(zhì)（去離子水、醇基溶液、氟碳類工質(zhì)、礦物油等）的載熱能力、導(dǎo)熱能力和強(qiáng)化對流換熱系數(shù)均遠(yuǎn)大于空氣。針對單芯片，液冷相比風(fēng)冷具有更高的散熱能力。
低TCO（總擁有成本）：液冷散熱技術(shù)雖會增加一定初期投資，但可通過降低運(yùn)行成本快速回收。根據(jù)中興通訊測算，以10MW數(shù)據(jù)中心為例，液冷方案（PUE1.15）相比冷凍水方案（PUE1.35），約2.2年可回收增加的基礎(chǔ)設(shè)施初投資。施耐德數(shù)據(jù)顯示，按每機(jī)架20kW和40kW部署液冷，投資成本比傳統(tǒng)風(fēng)冷分別節(jié)省10%和14%。
3.2 驅(qū)動因素二：算力功率密度提升，液冷逐步成為剛需
智算中心芯片功耗不斷提升，單機(jī)柜熱密度大幅快速提升。液冷將是高功率密度散熱的主要方案：
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英偉達(dá)B200芯片TDP功耗已達(dá)1000W
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GB200超級芯片（一顆Grace CPU + 兩顆Blackwell GPU）功耗達(dá)2700W
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從Blackwell到Rubin Ultra架構(gòu)演進(jìn)，Vertiv數(shù)據(jù)顯示，AI GPU機(jī)架峰值密度有望從2024年的130kW增長到2029年突破1MW
3.3 驅(qū)動因素三：全球數(shù)據(jù)中心能耗管控趨嚴(yán)，PUE考核趨嚴(yán)
碳中和背景下，主要國家和地區(qū)對數(shù)據(jù)中心PUE提出更嚴(yán)格要求。以我國為例，新建大型和超大型數(shù)據(jù)中心PUE需降至1.25以內(nèi)。
目前，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心中溫控環(huán)節(jié)能耗占比達(dá)40%（主要為精密空調(diào)消耗）。PUE值越接近1，表明能耗主要集中于IT設(shè)備。通過液冷替代精密空調(diào)，有助于降低PUE，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗。
3.4 驅(qū)動因素四：CSP云廠商均在設(shè)計和啟用液冷方案
主流云服務(wù)提供商（CSP）已紛紛布局液冷技術(shù)，推動液冷方案在數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模應(yīng)用。
四、液冷技術(shù)分類與詳解
液冷散熱技術(shù)主要分為冷板式、浸沒式和噴淋式三大類。按照是否相變，冷板式可分為單相冷板式與兩相冷板式；浸沒式可分為單相浸沒式與相變浸沒式。
4.1 冷板式液冷（當(dāng)前主流方案）
冷卻液不直接接觸電子器件，通過冷板間接傳遞熱量。
特點(diǎn)：
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兼容性強(qiáng)、易于維護(hù)、可靠性高（液體與設(shè)備不直接接觸）
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存在問題：未實(shí)現(xiàn)100%液冷，節(jié)能收益可能不顯著；液冷板設(shè)計需適配現(xiàn)有器件布局，標(biāo)準(zhǔn)化難度大
冷板式技術(shù)分類：
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L2A（Liquid to Air）：空氣輔助液體冷卻，適用于傳統(tǒng)空氣冷卻數(shù)據(jù)中心，無需額外液冷基礎(chǔ)設(shè)施
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L2L（Liquid to Liquid）：通過CDU清除MW級IT熱量，需要額外液冷基礎(chǔ)設(shè)施
冷板式發(fā)展方向一：兩相式
允許冷卻液在冷卻過程中發(fā)生相變（液態(tài)吸熱沸騰為氣態(tài)，冷凝端放熱變回液態(tài)）。兩相冷板式液冷系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)2500W芯片散熱。
冷板式發(fā)展方向二：微通道（MLCP）
MLCP（微通道水冷板）通過蝕刻工藝將傳統(tǒng)毫米級流道縮小至微米級（30-150微米），并將均熱板、水冷板、芯片封裝蓋板整合為單一單元，減少導(dǎo)熱界面材料的使用，使冷卻液更直接高效地帶走熱量。MLCP單價可達(dá)傳統(tǒng)水冷板的3-5倍，毛利率較高。以GB300架構(gòu)為例，一個機(jī)柜需要108+18個MLCP，報價約800-900美元/塊。
前沿進(jìn)展：微軟已成功開發(fā)微流體冷卻技術(shù)，通過細(xì)如發(fā)絲的微小通道將冷卻液直接輸送到芯片內(nèi)部，散熱效率比現(xiàn)有散熱板高出三倍，能將芯片最高溫升降低65%。
4.2 浸沒式液冷
單相浸沒式：
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浸沒機(jī)柜設(shè)計更簡單，氟化液更易操作、維護(hù)
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材料兼容性和循環(huán)中污染物隱患更少
雙相（相變）浸沒式：
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通過冷卻液沸騰（液相→氣相）實(shí)現(xiàn)更高傳熱效率
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功率密度可達(dá)250-500kW/浸沒腔
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冷卻基礎(chǔ)設(shè)施較簡單（如使用干式冷卻器，無需冷卻水塔等蒸發(fā)降溫設(shè)施）
五、總結(jié)
在高密度算力功率持續(xù)提升的背景下，液冷技術(shù)憑借其優(yōu)異的散熱能力、更低的TCO、對PUE政策的良好響應(yīng)以及云廠商的積極推動，已成為智算中心散熱溫控的主要技術(shù)方向。冷板式液冷當(dāng)前占據(jù)主流，未來將向兩相式、微通道等方向演進(jìn)；浸沒式液冷在超高熱密度場景中亦具有廣闊應(yīng)用前景。液冷技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新將為AI算力的爆發(fā)式增長提供堅實(shí)的熱管理基礎(chǔ)。
