全网最全不同液冷冷板解析：数据中心液冷散热技术分类、架构与应用
发布时间：2026-03-17
分享到
摘要
数字技术的创新迭代与蓬勃发展，推动算力需求持续攀升，数据中心能耗随之呈指数级增长。在可持续发展、“双碳”目标、新型数据中心建设等政策指引下，数据中心制冷技术正式迈入液冷发展新阶段。本文首先从芯片、设备、机柜散热需求，以及机房节能诉求等多维度，深入剖析液冷技术落地的必要性与核心优势；其次针对主流液冷技术方案，从架构原理、核心组件、运行逻辑等方面展开全面拆解，并通过散热能力、节能效果、维护性、技术成熟度等维度综合对比，得出短中期内单相冷板式液冷更具应用优势的结论；最后围绕可靠性、散热强化、低成本等方向，探讨数据中心液冷技术的未来研究趋势。
关键词：散热技术；机房节能；液冷散热；冷板式液冷；浸没式液冷
1 液冷技术应用背景
1.1 节能政策强力驱动
数字技术的深度演进，推动云计算、大数据、人工智能、元宇宙等信息技术与实体经济深度融合，数字经济实现高质量快速增长。数据中心作为数字经济基础设施的核心底座，数据量的爆发式增长带动其市场规模持续扩容。数据显示，截至2023年底，我国在用数据中心机架总规模已达810万标准机架。作为典型的“能耗大户”，数据中心耗电量持续攀升，总用电量已占全社会用电量的3%。
在此背景下，可持续发展、“碳达峰、碳中和”、新型数据中心建设等政策理念落地，国家及地方政府相继出台专项政策，对数据中心电源使用效率（PUE）提出严苛要求。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）》，明确到2023年底，新建大型及以上数据中心PUE需降至1.3以下，东数西算枢纽节点及寒冷地区力争降至1.25以下；2021年11月，发改委发布《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》，进一步要求2025年新建大型、超大型数据中心PUE不高于1.3，国家枢纽节点降至1.25以下；“东数西算”八大枢纽节点更是细化指标，东部地区PUE目标不超过1.25，西部地区不超过1.2，能效管控愈发严格。
从数据中心能耗结构来看，制冷系统能耗占比高达24%以上，是辅助能耗中占比最高的部分，因此优化制冷方案成为降低数据中心PUE的核心抓手。近年来，行业持续探索高效制冷技术，间接蒸发冷却、冷板式液冷、浸没式液冷等方案相继落地，其中间接蒸发冷却技术可将PUE控制在1.25，而液冷技术依托液体高导热、高传热特性，可缩短传热路径、高效利用自然冷源，将数据中心PUE降至1.1以下，节能优势突出。凭借绿色节能特性，液冷技术也成为国家及地方政策明确鼓励推广的核心节能技术。
1.2 高散热需求倒逼技术升级
算力的持续增长推动通信设备性能不断升级，市场主流芯片功耗与热流密度同步攀升，当前CPU散热设计功耗已达350~500W，AI技术的普及带动GPU需求激增，其散热设计功耗已突破800W，芯片功率密度的持续走高，直接制约芯片散热效率与运行可靠性，也带动整机柜功率密度大幅提升。
目前，8kW以上单机柜功率密度已成为新建数据中心的主流配置，行业也通过改造升级持续提升单柜功率，通算场景最大功率密度超30kW/柜，智算场景功率增长更为迅猛，已达100kW/柜，整机柜功率密度的提升，对机房制冷技术提出了更高要求。传统风冷系统受建筑面积、运营成本等因素限制，散热上限仅为20kW/柜，已难以适配高密度算力散热需求。而液冷技术以液体替代空气作为冷却介质，通过直接或间接接触发热器件实现换热，散热效率大幅提升，可有效满足芯片、单机柜、机房全场景的高散热需求。
2 液冷技术分类及架构详解
根据冷却液与发热器件是否直接接触，液冷技术可分为直接接触式和间接接触式两大类：直接接触式包含单相浸没式、两相浸没式、喷淋式液冷，冷却液直接与发热器件接触换热；间接接触式包含单相冷板式、两相冷板式液冷，冷却液通过散热器间接传递热量。
液冷系统具备通用架构，主要分为室外侧与室内侧两部分：室外侧涵盖室外冷源、一次侧冷却液；室内侧包含冷量分配单元（CDU）、二次侧冷却液及液冷机柜。其核心运行原理为：二次侧冷却液在机柜内吸收设备热量，经CDU内换热器将热量传递至一次侧冷却液，一次侧冷却液再通过室外冷源将热量释放至大气，完成完整散热循环。
其中，室外冷源可选用开式/闭式冷却塔、干式冷却器，需结合场地、气象、水电条件综合选型；一次侧冷却液多采用去离子水、乙二醇/丙二醇水溶液，搭配缓蚀、杀菌、阻垢药剂使用，选型需兼顾热物性、地域气候等因素；CDU分为集中式与分布式，集中式布置于机柜外，为多机柜供冷，便于集中管控，分布式集成于机柜内，单机柜对应单CDU，功耗匹配度更高。二次侧冷却液、液冷机柜及内部设备则随技术路线不同有所差异，具体分类技术详解如下。
2.1 单相冷板式液冷
单相冷板式液冷是当前成熟度最高、应用最广泛的液冷方案，通过液冷板将发热器件热量间接传递给冷却液，二次侧冷却液在吸热、放热过程中不发生相变。根据液冷板覆盖范围，可分为局部液冷与全液冷：局部液冷仅覆盖高功耗器件，带走约70%的设备热量，剩余热量需依托机房空调、液冷背门风冷散热；全液冷则针对设备硬件架构定制液冷板，覆盖全部发热器件，散热效率更高。
该系统核心组件及要求如下：一是二次侧冷却液，以去离子水、乙二醇/丙二醇水溶液为主，需定期检测PH值、浊度、残留物等指标，符合行业标准；二是单相冷板CDU，分集中式、分布式，集中式需部署管网并优化流量分配，分布式免管网部署，适配机柜功耗灵活调整；三是分液器，负责机柜内冷却液分配与收集，需保障流量均匀，兼顾机柜空间、承重要求；四是液冷板，需结合芯片功耗、布局定制设计，兼顾通用性与散热性能，同时满足功耗、压力、流速等指标；五是流体连接器，实现无泄漏通断，需适配流量、温度、压力、安装方式等参数；六是液冷管路，需兼顾材料兼容性、流速、管路布局、流量分配；七是漏液检测传感器，布置于易泄漏点位，可选用检测线、光电式、电极式等类型，及时预警漏液风险。
该技术对通信设备、机房基础设施改动小，行业技术积累深厚，是适配高热流密度散热、提升数据中心能效、降低TCO的优选方案。
2.2 两相冷板式液冷
两相冷板式液冷系统架构与单相方案相近，核心差异在于二次侧冷却液在设备内吸热汽化，在CDU内冷凝液化，充分利用相变潜热散热，散热能力可达300W/cm²以上，适配超高热流密度场景。但因冷却液相变，系统运行压力高于单相方案，核心组件需满足高压适配要求。
其核心组件特性：二次侧冷却液选用制冷剂、氟化液等低沸点工质，兼顾热物性、环保性、安全性、材料兼容性；CDU采用温控型压力控制方案，补液系统需考量工质充注量对压力的影响；液冷板需强化承压能力，通过表面微处理、多孔介质填充等方式提升散热性能；流体连接器优选螺纹旋拧式，适配高压插拔与维护；液冷管路优先选用金属软管、汽车空调橡胶管，降低泄漏风险。该技术散热优势显着，但目前成熟度较低，产业链有待完善。
2.3 单相浸没式液冷
单相浸没式液冷将发热元件完全浸没于冷却液中，直接吸收设备热量，二次侧冷却液全程保持液相，分为卧式与立式两种架构。卧式浸没机柜（TANK）为当前主流，尺寸覆盖12U~54U，底部配置均流板保障流量均衡，上盖具备高密封性，减少冷却液耗散，维护时需开盖吊装设备，复杂度较高；立式浸没机柜架构接近冷板式，设备实现板级密封，兼顾浸没式的节能优势与冷板式的维护便利性。
该技术核心组件：二次侧冷却液选用高沸点、高绝缘、低黏度的氟碳化合物、矿物油、合成油等，保障材料兼容性；CDU适配半开式系统，对循环泵、过滤、冷却液监控要求更高。单相浸没式液冷可实现100%无风扇冷却，机房节能、静音效果极佳，但需对设备材料、器件重新选型做兼容性测试，且冷却液热物性较差、流速低，散热能力受限，一定程度上制约了规模化推广。
2.4 两相浸没式液冷
两相浸没式液冷依托冷却液相变潜热散热，二次侧冷却液吸热汽化、冷凝液化循环往复，散热能力远优于单相浸没式，同样分为卧式与立式架构，现阶段以立式为主要研究方向。卧式架构中，冷却液在腔体底部吸热汽化，蒸汽在顶部冷凝器冷凝回流；立式架构将单设备作为独立浸没腔体，规避冷却液运维耗散问题，兼容性与维护性更优。
其核心组件：二次侧冷却液选用低沸点氟碳类工质，兼顾热性能、环保性、密封性；密封壳体实现设备全密封，优化电、网、液接口密封设计；两相沸腾散热器通过界面材料贴合芯片，采用多孔介质方案强化换热。该技术兼具高节能、高散热优势，可适配高功率芯片散热，但目前仍处于试点阶段，密封可靠性、系统稳定性有待持续优化。
2.5 喷淋式液冷
喷淋式液冷属于直接接触式液冷，二次侧冷却液从机柜顶部喷淋而下，精准覆盖发热器件，通过对流换热实现散热。该技术需对机柜、设备做特殊化设计，设备上盖集成喷淋腔体与喷淋孔，根据器件功耗、布局调整喷淋参数；机柜具备密封性，减少冷却液飘逸损耗；底部设置储液箱，收集吸热后冷却液与泄漏液体，提升系统稳定性。
二次侧冷却液采用油基、氟碳类不导电液体，换热过程无相变。喷淋式液冷可实现100%液冷，PUE优于单相冷板式，散热能力略高于传统单相浸没式，是兼顾冷板式节能性与浸没式散热性的折中方案，适配特定高密度散热场景。
2.6 液冷技术综合对比
算力持续攀升带动液冷市场需求增长，多条技术路线并行发展，各方案适配场景、优劣势差异显着。其中，单相冷板式液冷应用占比超90%，是现阶段及未来短中期的主流方案；单相浸没式液冷技术逐步成熟，小规模商用持续推进；喷淋式、两相冷板式、两相浸没式液冷仍处于技术完善、生态构建阶段，规模化应用尚需时日。
3 数据中心液冷技术发展展望
当前液冷技术处于快速发展期，规模化应用过程中的痛点逐步显现：冷板式液冷存在水基工质泄漏短路风险；单相浸没式液冷流速低、散热能力不足，难以适配高端CPU/GPU；液冷系统冷量调控滞后，节能收益未最大化；初期建设成本偏高等，这些问题均制约着液冷技术的普及。为此，行业围绕多维度开展技术攻关，推动液冷技术迭代升级。
3.1 非水冷板式液冷
针对传统单相冷板式液冷水基工质泄漏导电、腐蚀等问题，中兴通讯创新性提出非水冷板式液冷方案，将二次侧冷却液替换为氟碳类、油基不导电液体，从介质根源规避泄漏导电风险，同时保留冷板式液冷的高散热优势。该方案配合机械防泄漏结构，实现多维度泄漏防护，且大分子冷却液能大幅降低微生物腐蚀风险。
工质更换后，系统需同步优化：重新开展材料与冷却液兼容性测试；改进CDU补液装置，避免杂质、水分进入系统引发水解腐蚀；更换漏液检测方式，采用光电式、电容式、吸气式检漏仪器，适配非水工质特性。
3.2 全液冷冷板
传统冷板式液冷仅覆盖核心高功耗芯片，液冷散热占比60%~80%，节能收益有限。全液冷冷板技术针对设备内所有发热器件定制散热方案，覆盖CPU、内存、硬盘、电源等，95%以上热量通过液冷板带走，剩余少量热量通过风液换热器散热，实现100%全液冷，PUE可低至1.1，大幅降低机房运营成本。
该技术液冷部件多、系统复杂度高，对运维人员专业性要求高，内存、硬盘等可插拔部件的可靠性有待提升，但长期来看，其高效节能、高散热的优势，将助力其在数据中心领域实现更广泛的应用。
3.3 单相浸没强化散热
针对单相浸没式液冷流速低、散热能力受限的痛点，行业从主动驱动、架构优化、冷却液改良三方面强化散热：引入封闭风机、微泵等主动部件，提升芯片局部冷却液流速与湍流程度，强化换热效率；优化系统架构，采用双回路设计，适配高功耗器件散热需求，单节点散热能力可达2000W+；研发纳米流体冷却液，借助纳米颗粒高导热特性提升换热性能，但目前纳米流体存在稳定性差、制备难、成本高的问题，仍需持续优化。
3.4 液冷智能温控技术
液冷系统耦合性强、控制点位复杂，传统调控模式易造成冷量浪费，节能效果受限。行业提出“数据+机理”双驱AI温控技术，将AI算法与暖通热力学模型结合，构建融合型热力学模型，既规避纯数据模型的成本高、依赖性强、反逻辑控制等问题，又弥补机理模型的建模短板。
该技术依托DCIM系统，整合影响液冷系统运行的各类因素，构建数字孪生预测模型，实现全工况精准调控，既能最大化节能收益，又能提前预判极端场景风险，提升运维效率与系统运行可靠性。
3.5 低成本液冷系统
初期投资成本高是制约液冷规模化推广的核心因素，中兴通讯研发低成本液冷系统，通过新材料、新工艺应用，实现液冷数据中心综合投资成本降低15%以上。核心举措包括：将液冷板散热底板由铜材换为铝合金，非散热面采用高分子材料注塑成型，取消焊接工艺改用胶圈密封，降低材料与加工成本；将管网、分液器、连接器等部件替换为高分子工程材料，一体式注塑成型，兼顾可靠性与经济性。
3.6 芯片级液冷
芯片制程持续精进，2.5D/3D封装、异构芯片普及，芯片内热阻占比不断提升，传统外部液冷方案难以适配超高功率密度散热需求，芯片级液冷成为未来核心研究方向。该技术将微米级流道刻蚀于芯片内部，液体工质直接从芯片内部换热，大幅降低芯片内热阻与界面热阻，解决多Die堆叠散热难题，散热能力可达300W/cm²以上。
芯片级液冷分为分体式与一体式，目前国内外高校、科研机构、芯片厂商已开展相关研究，但技术成熟度较低，暂无商用案例，未来随着技术突破，将成为解决超高功耗芯片散热的核心方案。
4 结束语
在数字经济发展与“双碳”目标的双重驱动下，芯片热流密度攀升、能耗管控趋严，成为数据中心制冷技术迭代的核心动力。液冷技术凭借低能耗、高散热、低噪声、低TCO等核心优势，成为破解高密度算力散热难题、打造绿色低碳数据中心的关键技术，未来随着产业链完善、技术持续升级，将全面主导数据中心制冷市场，助力数字基础设施高质量发展。
相关新闻更多
