液冷服务器两大核心赛道解析
时间：2025-02-17 13:23
上述文章报告出品方/作者：乐晴智库精选；仅供参考，投资者应独立决策并承担投资风险。
AI数据中心功耗和密度持续提升，带动算力液冷技术强劲需求。液冷技术满足高热密度机柜的散热需求，是数据中心冷却技术的新方向。英伟达CEO黄仁勋曾明确表示，液冷技术是未来趋势，将带动整片算力散热市场全面革新。当前成熟度最高的冷板式液冷技术在大型数据中心和云计算领域普及。长远来看，浸没式液冷技术预计将在更高功率应用中逐渐被采用。英伟达下一代芯片Rubin有望采用浸没式液冷技术，预计机柜功耗将持续提升至1000kW以上，浸没式液冷有望成为其解决其散热问题的最佳方案。本文重点解析液冷服务器两大核心技术路线：冷板式液冷和浸没式液冷。
从液冷技术发展历程来看，早期阶段GPU功耗较低，英伟达等厂商主要依赖传统风冷散热技术。随着GeForce 256发布，GPU功耗和热量显著增加，彼时英伟达开始对风冷系统进行优化。2004-2010年，英伟达推出了SLI技术，允许多块GPU协同工作，性能显著提升的同时也带来了更高的热量，英伟达在散热设计上进行了相应改进。2022年起，随着GPU功耗持续上升，传统风冷逐渐难以满足散热需求，英伟达推出了基于A100芯片的首款液冷GPU，采用直接芯片冷却技术用来提升数据中心的能效。2024年，英伟达发布的B系列单机柜功率高达130-250kW，液冷技术成为解决其散热问题的唯一选择。
数据来源：维谛技术非接触式液冷：主要指冷板式液冷，通过冷板将发热器件的热量传递给封闭在循环管路中的冷却液体以带走热量。接触式液冷：包括浸没式液冷和喷淋式液冷两种。其中浸没式液冷在我国已逐步进入商用部署阶段；喷淋式液冷技术技术成熟度最低，应用也相对较少。目前两大主流液冷主线技术路线是冷板式液冷和浸没式液冷。冷板式液冷技术路径相对清晰，具有较高的商用成熟度，尤其利于算力中心机房的改造。根据IDC数据，冷板式液冷已成为当前绝对主导的液冷解决方案，占据国内市场95%以上的份额。浸没式液冷应用成熟度不及冷板式，且维护成本较高；不过在节能和可靠性方面表现更优，且占用空间也更小，并且更具散热效率方面的优势，有望成为未来数据中心散热技术的重要发展方向。
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在冷板式液冷系统中，冷板被安装在服务器组件如CPU/GPU等高发热部件上。服务器组件通过导热部件将热量传导到冷板上，然后利用冷板内部的液体循环将热量传递到远离服务器的散热单元，一般还会增设风冷单元为低发热元件进行散热。冷板液冷通过冷板进行间接散热，冷却液不直接接触IT发热元件，而是流经安装在CPU/GPU等大功耗部件上的导热金属冷板将热量带走。冷板式液冷系统根据冷却液在冷板中是否发生相变，分为单相冷板和两相冷板两种类型。两者的制冷架构基本一致，主要区别在于二次侧冷却液的不同。单相冷板中，冷却液在冷板内部循环时始终保持液态，通过冷却液的流动带走服务器产生的热量。两相冷板中，冷却液在冷板内部循环时会发生相变，即从液态变为气态，通过相变过程吸收大量的热量，从而实现更高效的散热。此外，冷板式液冷系统通常分为一次侧（室外）循环和二次侧循环（室内）两部分。一次侧循环负责将室外的冷源（如冷水机组或自然冷源）产生的冷量通过管道输送到室内的冷板系统中。主要由室外散热单元、一次侧水泵、定压补水装置和管路等部件构成，负责将IDC内部元件的热量排至室外大气环境。一次侧市场格局较为分散，参与者众多，价格竞争激烈，其利润率也相对较薄。液冷一次侧的核心设备包括冷却塔、干冷器、冷水机组、制冷机组等。冷却塔：是通过水与空气的热交换，为液冷系统中的冷却液体降温的设备。国内厂商海鸥股份是冷却塔行业的老牌公司，已经通过了欧盟CE认证，并获得了美国CTI（美国冷却塔协会）会员资格，产品包括常规冷却塔、开式环保节能型冷却塔、闭式冷却塔等；双良节能产品线中CDM液冷换热模块涉及全浸没式液冷服务器换热模块与尾端冷却塔设备；冷却塔相关布局厂商还包括克莱特、上海电气、高澜股份、山东鹏盛、广州康明等。干冷器：工作过程没有水的消耗，通过管内走液体管外走自然风来冷却管内液体，来降低管内液体温度以达到冷却的目的。干冷器可以和其他液冷组件配合，实现高效的散热效果。相关厂商包括维谛技术、四方科技、英维克、申菱环境、鑫巨等。例如，四方科技研制的V型干冷器用于数据中心液冷的外部换热。二次侧循环发生在室内，是冷板式液冷系统的核心部分。冷却液在二次侧循环中流经服务器的冷板，与服务器产生的热量进行热交换，从而带走热量，确保服务器在高负载下保持稳定的运行温度。二次侧系统主要由CDU冷量分配单元、机房分水管路和液冷机柜（含冷板、快接头和Manifold）等部件构成，直接与服务器等热源接触，负责将热量传递给冷却液，是液冷价值增量的主要来源和冷却系统的利润池。其中，冷板价值量占比较高，达40-50%，且随算力卡功率升级有价值量提升的趋势。CDU、QDC、Manifold等部件价值量占二次侧的30-40%，与服务器机柜弱耦合，国产供应链较为成熟。冷板：通常作为电子设备的底座或顶板，通常由高导热金属制成，内部设有循环通道，用于流通冷却液体。冷板上游是铝、铜等金属原材料厂商；中游包括铝热传输材料生产企业如银邦股份、华锋铝业、格朗吉斯等；以及液冷板配套加工公司瑞泰克、方盛股份、精研科技、飞荣达、银轮股份、纳百川等。此外，英维克推出Coolinside全链条液冷解决方案，涵盖快换接头UQD、Manifold、冷板等产品；申菱环境“天枢”液冷温控系统，涵盖冷板、泵组、管路连接等液冷组件。CDU（冷量分配单元）：CDU是室内外机的连接枢纽，连接液冷系统中的一次侧和二次侧，确保冷却剂在系统中的循环流通；主要由板式换热器、电动比例阀等核心部件构成，内含水泵、控制器等部件，成本相对较高。水泵环节中，飞龙股份数据液冷中心产品在芜湖飞龙、郑州飞龙已建有专门生产线，多个液冷项目进行中；中金环境子公司南方泵业生产的CHL、CHM、CHLF水泵，广泛应用于数据中心液冷模块中；利欧股份全资子公司利欧泵业拥有多款适用于液冷系统的泵产品，包括高效节能的离心泵和智能泵系统等；控制器相关布局厂商包括立讯精密、曙光数创、英飞特等。维谛技术、英维克、申菱环境、高澜股份、曙光数创、网宿科技旗下绿色云图、同飞股份、佳力图、依米康等厂商在液冷领域拥有多款CDU产品。例如，维谛除了Vertiv™ Liebert® XDU冷量分配单元外，还成功落地了Vertiv™ AIGC全栈液冷解决方案；申菱环境提供端到端的全链条液冷解决方案，包括核心CDU设备等;浪潮信息为解决冷却液泄露问题，首创了液环式真空CDU。Manifold（歧管）：是用于散热的管道装置，主要连接冷板与其他液冷组件（CDU、冷源等）。负责将冷却液体作为冷却介质，通过特定的管道设计和结构，分流到各个需要冷却的服务器设备，以确保整体散热的均衡性。该环节主要参与厂商包括英维克、申菱环境、中航光电等。UQD（快换接头）：在高功率密度的服务器中，UQD接头连接冷板和Manifold，将芯片产生的热量通过冷却液传递出去，实现高效的热交换。UQD具备无泄漏和高流量等特点，是数据中心高效运行和维护的关键。目前市场上北美厂商占据快速接头市场主要份额，国内相关主要厂商包括强瑞技术、高澜股份、溯联股份、英维克、中航光电等企业。整体来看，冷板式液冷技术对服务器整体改动较小，主要通过加装液冷模块、采用集中式或分布式CDU供液、Manifold分液等方式，对芯片、内存等部件进行精准制冷。
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浸没式液冷
浸没式液冷是将服务器内的元器件完全浸没在冷却液中，通过冷却液的循环来带走服务器热量的散热形式，也称为接触式液冷。相比非接触式冷板式液冷，接触式液冷可完全去除散热风扇，散热及节能效果更好，数据中心PUE值可降至1.1及以下。浸没式液冷对服务器机柜和机房配套设施的投入及改造成本更高，运维难度也更大。根据冷却液在换热过程中是否发生相变，浸没式液冷可分为单相浸没和两相浸没两种类型。单相浸没中，低温冷却液进入称为TANK的箱体后，吸收服务器的热量，然后进入CDU中散热，整个过程中冷却液保持相态不变。两相浸没是将IT设备浸没在沸点低于设备工作温度的冷却液中，设备运行时产生的热量使冷却液局部沸腾，蒸汽上升到达冷凝器盘管后冷凝为液体并落下，从而带走热量。浸没式液冷中，冷却液是浸没式液冷的核心构成部分，价值量占比接近60%，同时也是其大规模应用的最大瓶颈。浸没式液冷需要绝缘冷却液，确保液体在电子元件周围流动时不会导电。这些冷却液通常是基于氟化物的非导电液体或其他绝缘性的合成冷却剂。04
液冷服务器整机市场格局
根据IDC数据，2024年上半年，我国液冷服务器市场厂商份额前四大厂商分别为浪潮信息、超聚变、宁畅和新华三。作为冷板式液冷路线的代表，浪潮信息进行了全栈布局液冷技术，通用服务器、高密度服务器、整机柜服务器以及AI服务器四大系列产品均已支持冷板式液冷。2024年1月，浪潮信息与英特尔携手发布了全球首个全液冷冷板服务器参考设计，并对外开放共享；此外，浪潮信息旗下产品NF5180G7也是业界首个可支持浸没式液冷50℃进液温度的服务器。中科曙光是浸没式液冷技术路线代表，在“Liquidindside曙光液冷服务器大规模应用发布会”上，举行了中国首套商用浸没式液冷服务器交付仪式，将I620-M20浸没式液冷服务器交付予华中科技大学计算机科学与技术学院。中科曙光拥有液冷服务器及数据中心基础设施的完整产品线，已在高性能计算和AI训练场景中部署数万台液冷服务器；此外，曙光TC4600E-LP冷板式液冷服务器是国内率先实现量产的冷板式液冷服务器。曙光数创主要产品包括浸没相变液冷、冷板液冷数据中心基础设施产品以及模块化数据中心三大类。其中，C7000系列是国内首款量产的冷板液冷数据中心基础设施产品及服务器冷板散热套件；C8000系列产品则于2019年首次实现在国家级重大科研装置大规模部署，标志着数据中心行业全浸式液体相变冷却技术在全球范围内首次实现了大规模产品转化和部署。超聚变液冷服务器产品已在全国实现了超过7万个节点的商用规模，FusionPoD for AI新一代全液冷整机柜GPU服务器，采用全液冷散热方案，GPU模组与PCIe形态的互通性得到增强，支持4U和1U两种形式的GPU节点，通过高速铜缆互联，形成高效散热网络；此外，高澜股份提供冷板式液冷、浸没式液冷和集装箱式液冷三种服务器液冷解决方案。在全球AI算力数据中心高功耗背景下，液冷技术正在成为解决散热难题和降低能耗的关键技术。近年来，各大厂商开始加速布局整机液冷解决方案，包括服务器整机、液冷系统、冷却液、监控软件等一站式服务。随着数据中心规模和算力需求持续增长，液冷服务器产业链各环节有望迎来更广阔的发展前景。
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