数据中心互联技术专题五：液冷：智算中心散热核心技术

行业研究·行业专题 通信 投资评级：优于大市 证券分析师：张宇凡021-61761027zhangyufan1@guosen.com.cnS0980525080005 证券分析师：袁文翀021-60375411yuanwenchong@guosen.com.cnS0980523110003 目录 算力功率密度提升，液冷是未来散热温控主要技术01 液冷应用渗透加速，全球市场规模有望超百亿美元02 液冷产业链解析03 投资摘要 AI时代数据中心热密度加速提升，液冷正在成为智算中心主流散热技术。AI时代算力芯片功率持续提升，设备功率密度触及传统风冷降温方式极限，液冷与风冷技术相比，具有温度传递快、带走热量多、噪音低和节能、节省空间的优势；同时，全球各地区PUE考核均有趋严趋势，液冷渗透率有望持续提升。液冷通用架构可分为机房侧（包括一次侧设备和二次侧设备）以及ICT设备侧（如冷板模组等），二次侧设备包括Manifold、CDU、管路、动环系统等，一次侧设备主要包括室外冷水机组。当前阶段，液冷应用主要采用冷板式技术；例如英伟达最新商用B系列GPU及以后技术均采用冷板液冷技术散热，100%全液冷架构，覆盖CPU，GPU，内存等核心部件。浸没式方案是长期发展方向。 数据中心液冷市场空间广阔，经预测2026年全球数据中心投入建设液冷的市场规模（二次侧）有望达百亿美元： Ø北美市场目前冷板式液冷的单位价值量约在1040美元/kW，2026年CSP云厂自研ASIC芯片并采用液冷方案，其带动的液冷市场规模有望达30亿美元；英伟达GPU需求仍然旺盛，在乐观情况下预测2026年英伟达液冷市场规模有望超70亿美元，综上2026年北美液冷市场规模有望达100亿美元。Ø国内市场目前冷板式液冷的单位价值量约在5000元/kW，国内运营商、互联网建设数据中心都在逐步选择液冷方案，国内数据中心液冷渗透率有望于2025年进入加速期，预测2026/2027年我国液冷市场规模有望分别达113/238亿元。 液冷散热产业中传统海外散热企业有一定早期先发优势，但国产厂商产品拥有高性价比、高响应速度、定制化服务、产业化能力等优势，有望受益AI发展。产业链上游包括液冷零部件，中游主要是系统解决方案供应商/集成商，下游客户为AIDC服务商、运营商、互联网等： Ø系统集成商：以综合能力为关键，系统集成复杂、设计能力要求高，设备温控稳定性要求高。老牌传统头部温控厂商有优势，如海外的Vertiv（维谛技术）、国内的英维克（Envicool）等。 Ø零部件厂商：制造环节有一定技术和客户壁垒，例如奇宏，双鸿，台达电子等台资热管理厂商早期配合英伟达做液冷散热预研，拥有先发优势。但随着CSP云厂自研ASIC芯片的液冷方案，同时追求更高性价比的解耦方案，国产供应商有望迎来发展机遇。 投资建议：随着AI芯片功率提升、单机柜密度提升，海外龙头逐步推进全液冷解决方案，全球液冷市场有望迎来高速增长。具备系统级理解能力的专业温控厂商有望更受益行业发展，同时国内厂商凭借性价比等优势仍有机会突破海外市场，建议关注液冷全产业链的投资机遇，重点推荐英维克。 风险提示：AI发展及投资不及预期、行业竞争加剧、全球地缘政治风险、新技术发展引起产业链变迁 一、算力功率密度提升，液冷是未来散热温控主要技术 液冷：未来智算中心的核心散热技术 液冷与风冷技术相比，具有温度传递快、带走热量多、噪音低和节能、节省空间的优势。 英伟达最新商用GB200系列及以后技术均采用冷板液冷技术散热，100%全液冷架构，液冷覆盖CPU，GPU，内存等核心部件。 资料来源：英伟达官网，国信证券经济研究所整理 资料来源：英伟达官网，国信证券经济研究所整理 智算中心液冷系统图解 液冷系统通用架构可拆解为机房侧和ICT设备侧两部分，机房侧可进一步分为一次侧和二次侧两部分，浸没式和冷板式液冷在机房侧架构基本相同，差异主要在ICT设备侧：一次侧：包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液（通常为水）。室外侧为外部冷源，通常为室外的冷水机组、冷却塔或干冷器，热量转移主要通过水温的升降实现；二次侧：包含CDU、液冷机柜、二次侧管网和二次侧冷却液。室内侧包括供液环路和服务器内部流道，主要通过冷却液温度的升降实现热量转移；两个部分通过CDU中的板式换热器发生间壁式换热；ICT设备侧：浸没式采用Tank安装制冷工质，ICT设备浸于其中；冷板式主要采用冷板贴于核心热源（CPU、GPU、内存）等上方。 制冷工质的选择：冷板式通常采用乙二醇/丙二醇溶液（基于防冻考虑）或去离子水；浸没式通常采用氟化液、矿物油（如硅油）等。 资料来源：中兴通讯《液冷技术白皮书》，远地数字科技官网，国信证券经济研究所整理 资料来源：Vertiv官网，国信证券经济研究所整理 液冷驱动因素一：液冷相比风冷单位成本下降，散热能力更好 高散热：液冷系统常用介质有去离子水、醇基溶液、氟碳类工质、矿物油或硅油等多种类型；这些液体的载热能力、导热能力和强化对流换热系数均远大于空气；因此，针对单芯片，液冷相比于风冷具有更高的散热能力。 低TCO：相比于传统风冷，液冷散热技术的应用虽然会增加一定的初期投资，但可通过降低运行成本回收投资。根据中兴通讯测算，以规模为10MW的数据中心为例，比较液冷方案（PUE1.15）和冷冻水方案（PUE1.35），预计2.2年左右可回收增加的基础设施初投资。根据施耐德数据显示，在容量相同的数据中心，按每机架20kW和每机架40kW的方式部署液冷时的投资成本比传统风冷分别节省了10%和14%的投资成本。 资料来源：施耐德官网，国信证券经济研究所整理 资料来源：施耐德官网，国信证券经济研究所整理 液冷驱动因素二：算力功率密度提升，液冷逐步成为刚需 伴随着智算中心芯片功耗的提升，其自身的散热功耗也在不断攀升，智算中心中单机柜的热密度大幅度的快速提升，因此，智算中心将面临单机柜功耗高密化的挑战。 资料来源：维谛技术官网，国信证券经济研究所整理液冷将是智算中心高功率密度散热主要方案。智算训练需要建立高度集中化的GPU集群，而智算中心GPU芯片的算力在不断提升，英伟达B200芯片TDP功耗已达1000W，由一颗Grace CPU与两颗BlackwellGPU组成的GB200超级芯片达到了2700W；其GPU架构从Blackwell继续进化为Rubin Ultra，Vertiv数据显示，AI GPU机架的峰值密度有望从2024年的130kW到2029年突破1MW，采用液冷技术是大势所趋。 图：单机柜功率密度与适宜的散热方式 液冷驱动因素三：全球数据中心能耗管控趋严，PUE考核趋严 碳中和背景下，主要国家和地区对数据中心的电能利用效率PUE等指标提出了更为严格的要求，以我国为例，要求新建大型和超大型数据中心PUE降至1.25以内。 算力中心电力紧缺已成为初步共识，采用液冷降低PUE有望节约整体数据中心电能消耗。目前，一个标准的风冷数据中心中，温控环节的能耗占比达到40%（主要为精密空调消耗）。而算力中心对电力需求正在快速提升，需要降低单位算力能耗。通过液冷替代精密空调有助于降低PUE，实现节约能耗的目的。PUE=（IT设备+制冷设备+供电设备+照明及其它等设备）/IT设备能耗，即PUE越接近于1，则数据中心中的能耗将主要来源于IT设备（服务器、交换机等）。 资料来源：中兴通讯《液冷技术白皮书》，国信证券经济研究所整理 液冷驱动因素四：CSP云厂均在设计和启用液冷方案 资料来源：Substack官网，国信证券经济研究所整理 资料来源：2025 hot chip官网，国信证券经济研究所整理 资料来源：AWS官网，微软官网。Semianalyis，国信证券经济研究所整理 目前液冷散热技术主要分为冷板式、浸没式及喷淋式 液冷主要可分为冷板式、浸没式、喷淋式三大类。按照接触方式，液冷主要可分为冷板式、浸没、喷淋式三大类。其中，按照是否相变，冷板式液冷可分为单相冷板式液冷、两相冷板式液冷，浸没式液冷可分为单相浸没式液冷、相变浸没式液冷。 资料来源：中兴通讯，中科曙光，国信证券经济研究所整理 冷板式液冷是目前主流方案 冷却液不直接接触电子器件。冷板式液冷技术通过冷板将发热元器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通冷却液体将热量带走。这种技术下，工作液体与电子器件不直接接触，而是通过液冷板等高效导热部件将被冷却对象的热量传递到冷却液中。 特点：冷板式液冷兼容性强、易于维护，但存在节能收益不显著、标准化难度大的问题。冷板式液冷能够有效兼容现有硬件架构、易于开展维护设计，且由于液体和设备不直接接触，可靠性更高。但由于未实现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。 资料来源：浪潮信息《全液冷冷板系统参考设计及验证白皮书》，国信证券经济研究所整理 冷板式目前主要用基于单相的L2A（空气冷却）和L2L（液态冷却） Liquid cooling with Liquid to Air Side Car (L2A)：空气辅助液体冷却，适用于传统的空气冷却数据中心。不需要额外液体冷却基础设施。Liquid cooling with Liquid-to-Liquid CDU (L2L)：冷却分配单元可以清除MW级的IT热量。需要额外的液体冷却基础设施。 资料来源：Semianalysisi，NVIDIA，国信证券经济研究所整理 冷板式发展方向——两相式:冷却液相变吸收大量汽化潜热 与传统的单相液冷（冷却液始终保持液态）不同，两相流液冷允许冷却液在冷却过程中发生“相变”（从液态吸热沸腾为气态，然后在冷凝端放热变回液态）。两相冷板式液冷系统的潜力，应该能实现2500W芯片散热 资料来源：北京航空航天大学，纬颖，国信证券经济研究所整理 资料来源：北京航空航天大学，纬颖，国信证券经济研究所整理 冷板式发展方向——微通道：高集成度，冷却液更贴近芯片 MLCP技术（Micro-Channel Liquid Cooling Plate），即微通道水冷板，通过将传统上覆盖在芯片上的金属盖和上方的液冷板整合成一个单元，内部通过蚀刻工艺，形成微通道，使得冷却液直接流经芯片表面。MLCP的核心特征有2个： Ø内部结构的微型化：通过在封装表面进行蚀刻工艺，将传统散热器中毫米级的流道，缩小至微米级别（例如30-150微米）。这样提高了热交换效率。 Ø高度集成化：将传统上分离的多个组件整合为单一单元（包括均热板、水冷板、芯片封装盖板IHS，整合在一起），这种设计最大程度地减少了导热界面材料（TIMs）的使用，使得冷却液可以更直接、高效地带走芯片产生的热量。 MLCP的单价可达传统水冷板的3~5倍，且能贡献较高的毛利率。以GB300架构为例，一个机柜需要108+18个MLCP，假设报价约800-900美元/块。 微软开发微流体冷却技术：9月23日，微软首席执行官萨提亚·纳德拉宣布，其团队已成功开发出微流体冷却技术——通过细如发丝的微小通道，直接将冷却液输送到芯片内部。微流体冷却技术的散热效率比现有散热板高出三倍，能将芯片最高温升（电子设备中各个部件高出环境的温度）降低65%。 资料来源：SEMI Vision，国信证券经济研究所整理 资料来源：Jetcool，国信证券经济研究所整理 浸没式液冷细分为单相和双相（沸腾液体蒸发效率高）方案 单相浸没式液冷系统的浸没机柜设计更为简单，氟化液更易操作、维护。与相变浸没式液冷相比，单相浸没式液冷在材料兼容性和循环中污染物上的隐患也更少。双相浸没式采用被动相变浸没式液冷系统时，可以通过沸腾过程（通过液相到气相的变化），实现更高的传热效率，从而通过相变浸没式液冷，实现更大的功率密度（高达250至500千瓦/浸没腔）。此外，支持相变浸没式液冷所需的冷却基础