数据中心液冷技术专题研究报告

2024-08-21 00:06:31 27

（报告出品方：中邮证券）

数据中心向绿色可持续发展，液冷方案空间广阔

数据中心液冷始于1964年，近几年我国发展迅速

数据中心持续运行产生大量热量，冷却系统是数据中心重要组成。根据冷却介质的不同，数据中心冷却系统分为风冷和液冷。数据中心液冷始于1964年，IBM公司推出首款System 360冷冻水冷却计算机，开创性地采用了液冷技术。2008年，IBM公司重回液冷后，在其Power 575的处理器上首次应用铜水冷板方案。

我国的液冷行业起步较晚，但发展迅速。2011年，中科曙光率先打破了中国液冷行业的空白，率先开始服务器液冷技术的研究探索，2013年推出了首台冷板式液冷服务器原理机和首台浸没式液冷原理验证机。近几年，英维克、申菱环境、科华数据、飞荣达、高澜股份等公司积极布局液冷，促进国内数据中心液冷快速发展。

“双碳”目标下，数据中心向绿色可持续发展

数据中心算力规模高速增长，大型数据中心成为主流模式。随着各行业数字化转型，以及人工智能、大数据、5G、AIGC等技术推动，我国算力中心建设规模高速增长。截至2023年，我国提供算力服务的在用机架数达810万标准机架，算力规模230EFLOPS。2023年10月，工信部等六部门发布《算力基础设施高质量发展行动计划》，到2025年，中国算力规模将超过300EFLOPS，其中，智能算力占比将达到 35%。大型以上算力中心机架数量占比逐年提升，2021年大型规模以上算力中心机架数占比81%。

2021年7月，工信部印发《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》明确提出，到2023年底，新建大型及以上数据中心PUE降到1.3以下；2022年6月，工信部等六部门印发《工业能效提升行动方案》提出，到2025年，新建大型、超大型数据中心PUE优于1.3。北上广深一线城市对于PUE限制更为严格。需要采用更加高效节能的技术及设备，降低数据中心能耗。

“东数西算”：2022年1月，国家发改委同意启动建设全国一体化算力网络国家枢纽节点的系列复函中指出，国家算力东、西部枢纽节点数据中心PUE分别控制在1.25、1.2以下。长三角一体化示范区执委会会同相关部门联合印发《关于在长三角生态绿色一体化发展示范区加快数字经济发展推进先行先试的若干举措》，提出新建大型、超大型数据中心PUE不超过1.25。

液冷技术低能耗、高散热优势显著

数据中心制冷能耗占比较高。全国数据中心耗电量约占全国用电量的2%-3%，传统风冷数据中心建成后，电费占运维总成本的60%-70%。根据赛迪顾问统计数据显示，2019年中国数据中心主要设备能耗占比中，制冷耗电占比（约为43%）位居第二，仅次于IT设备自身能耗占比（约为45%）。采用液冷可以大幅降低数据中心能耗，提高PUE。以某液冷数据中心为例，液冷设备取代空调设备，耗能占比仅为9%，数据中心PUE降低至1.2以下。

冷却系统能耗方面，液冷利用液体的高导热、高传热特性，在进一步缩短传热路径的同时充分利用自然冷源，实现了PUE小于1.25的极佳节能效果。散热能力方面，不同数据中心冷却方式散热效果存在差异，单机柜功率在20kW以下的数据中心，采用风冷即可满足散热要求，功率超过20kW则需要采用液冷技术。

液冷包含三种主流技术路线，冷板式液冷最为成熟

液冷包含冷板式、浸没式和喷淋式三类主流技术路线

液冷技术分为接触式及非接触式两种：1）接触式液冷是指将冷却液体与发热器件直接接触的一种液冷实现方式，包括浸没式和喷淋式液冷等具体方案；2）非接触式液冷是指冷却液体与发热器件不直接接触的一种液冷实现方式，包括冷板式等具体方案。

目前，冷板式液冷和浸没式液冷是行业共存的两条主流技术路线，考虑到技术成熟度、可靠性、技术通用性、结构颠覆性等多方面，当前液冷数据中心仍以冷板式液冷占据主流地位。

冷板式液冷：当期技术成熟，是液冷主要应用形式

冷板式液冷是非接触式液冷，通过液冷板（通常为铜铝等导热金属构成的封闭腔体）将芯片等发热器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种散热形式。冷板式液冷系统主要由冷却塔、CDU、一次侧&二次侧液冷管路、冷却介质、液冷机柜组成；其中液冷机柜内包含液冷板、设备内液冷管路、流体连接器、分液器等。

为了满足低发热器件散热，冷板式液冷一般增设风冷散热单元。所以，冷板式液冷未能实现100% 液体冷却，因此存在机柜功耗低、液冷占比低时，节能收益不显著问题；且液冷板设计需要考虑现有设备的器件布局，结构设计和实现的难度较大，标准化推进难度大。

浸没式液冷：可以分为单相浸没式液冷和两相浸没式液冷两类

浸没式液冷是以冷却液作为传热介质，将发热器件完全浸没在冷却液中，发热器件与冷却液直接接触并进行热交换的制冷形式。按照热交换过程中冷却液是否存在相态变化，可分为单相浸没液冷和两相浸没液冷两类。

浸没式液冷系统室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液；室内侧包含 CDU、浸没腔体、IT 设备、二次侧管网和二次侧冷却液。使用过程中 IT设备完全浸没在二次侧冷却液中，因此二次侧循环冷却液需要采用不导电液体，如矿物油、硅油、氟化液等。

硅立方采用浸没式相变液冷，将服务器芯片、主板在内的所有计算部件浸没于液态冷媒中，实现高效散热。硅立方单机柜功率达160kW，是传统风冷数据中心的4-5倍，PUE低至1.04。

喷淋式液冷：面向芯片级器件的精准喷淋散热方式

喷淋式液冷属于直接接触式液冷，是面向芯片级器件精准喷淋，通过重力或系统压力直接将冷却液喷洒至发热器件或与之连接的导热元件上的液冷形式。喷淋式液冷系统主要由冷却塔、CDU、一次侧&二次侧液冷管路、冷却介质和喷淋式液冷机柜组成；其中喷淋式液冷机柜通常包含管路系统、布液系统、喷淋模块、回液系统等。

喷淋式液冷系统中，冷却液通过布液装置直接喷淋在IT设备中的发热器件或与之相连的导热材料上完成冷却，吸收后的冷却液通过回液箱进行收集，并通过泵输送至CDU进行下一个制冷循环。

喷淋式液冷一般不需要对数据中心的基础设施进行大幅度改动。与浸没式液冷相比，喷淋式液冷同样实现了100%液冷，但节能效果差于浸没式液冷，且存在与浸没式液冷相同的局限性问题。

算力密度提升和低TCO促进液冷快速发展，未来5年复合增速超40%

产业链相对集中，多家公司拥有液冷一体化解决方案

液冷产业链包括上游的产品零部件提供商、中游的液冷服务器和基础设施提供商及下游的数据中心运营商和使用人。

产业链上游：主要为产品零部件及液冷设备，包括快速接头、CDU、电磁阀、浸没液冷Tank、 manifold、冷却液等组件或产品供应商。部分代表厂商有英维克、3M、云酷、竞鼎、诺亚、广东合一、绿色云图等。

产业链中游：主要为液冷服务器、芯片厂商以及液冷集成设施、模块与机柜等，部分代表厂商有华为、中兴、浪潮、曙光、新华三、联想、超聚变、英特尔等。

产业链下游：主要包括三家电信运营商，百度、阿里巴巴、腾讯、京东等互联网企业以及信息化行业应用客户，主要在电信信息、互联网、政府、金融、交通和能源等信息化应用。目前，阿里巴巴以单相浸没式液冷为主要发展方向，其他用户以冷板式液冷试点应用居多。

冷板式液冷：核心设备包括液冷换热单元（CDU）、分集液器（manifold）、液冷模组、冷板、快接头、漏液检测线、快接头等。

国内，英维克推出Coolinside全链条液冷解决方案；曙光数创拥有液冷服务器和数据中心基础设施产品；申菱环境推出“天枢”液冷温控系统；科华数据、飞荣达、高澜股份等也拥有冷板式液冷技术。

AI等需求推动算力密度提升，液冷技术加快导入

高端硬件功耗不断提升，数据中心向高密度发展。服务器中功耗主要部件有CPU、内存、硬盘、RAID 卡、GPU卡、网卡、风扇、主板等，CPU和GPU为主要功耗器件。 CPU：一般配置1到2颗CPU，不同型号CPU功率不同，INTEL高性能处理器功耗可达385W左右。 GPU：在数据中心，GPU被广泛应用于人工智能的训练、推理、高性能计算（HPC）等领域，90%左右的AI服务器采用GPU作为加速芯片。NVIDIA的A100功耗400W，H100功耗700W，而B100据传达到 1000W的功耗。计算密集型应用场景(例如AI、loT、区块链以及AR/VR等)激增，使得服务器设备功耗大幅增加，数据中心功率密度逐年提升。根据《2021-2022年度中国数据中心基础设施产品市场总报告》，2021年单机柜功率在10kW以上的数据中心市场规模快速增长，增速超过10%，其中30kW以上的高密度数据中心增长速度最快，增速达到31%。

液冷低TCO优势显著，冷板式液冷初投资已低于风冷

数据中心的总成本（TCO）包括建设成本（Capex）和运营成本（Opex）两部分。数据中心基础建设的成本构成中，柴油发电机组、电力用户站以及UPS占据着前三的位置，精密空调占数据中心基础建设成本的7%。运营成本中，由于液冷方案的低PUE，降低耗电量可大幅降低运营成本。根据曙光数创，目前冷板液冷在初投资即低于风冷系统，浸没液冷在运行4.5年后TCO低于风冷系统。

冷板式液冷交付模式：解耦交付实现液冷设备标准化

当前，冷板式液冷交付模式包括一体化交付与解耦交付两种。解耦交付是液冷机柜与液冷服务器之间遵循用户统一制定的接口设计规范，机柜与服务器解耦，可由不同厂商交付。一体化交付是液冷整机柜（包括机柜和服务器）由厂商自定标准进行集成设计开发，整机柜由同一厂商一体化交付。

解耦交付模式更有利于促进竞争、实现多厂家适配，便于后续灵活部署，为推进产业生态成熟，形成统一标准及规范，从而便于推广和部署。

液冷渗透率有望快速提升，未来5年复合增速超40%

液冷数据中心市场包括液冷服务器和液冷数据中心基础设施两部分。根据《中国液冷数据中心市场深度研究报告》，2022年，我国液冷数据中心市场规模达100.5亿元，同比增长47.2%，其中，液冷服务器市场规模80.3亿元，同比增长45.5%，液冷数据中心基础设施市场规模20.2亿元，同比增长54.5%。

根据国际数据公司（IDC）相关报告，2023年中国液冷服务器市场规模达到15.5亿美元，其中95%以上均采用冷板式液冷解决方案。2028年，中国液冷服务器市场规模将达到102亿美元，CAGR为45.8%。