随着智算中心芯片功耗持续攀升，单机柜热密度大幅提升，传统风冷技术已难以满足高密度算力场景的散热需求。液冷技术凭借其高效散热、节能降噪等优势，正逐步成为未来智算中心的核心散热技术。本文将深入分析液冷技术的系统架构、驱动因素及主流技术路线。

一、液冷：未来智算中心的核心散热技术

液冷与风冷技术相比，具有显着优势：温度传递快、带走热量多、噪音低、节能且节省空间。英伟达最新商用GB200系列及后续产品均采用冷板液冷技术，实现100%全液冷架构，液冷覆盖CPU、GPU、内存等核心部件。

二、智算中心液冷系统架构

2.1 液冷系统通用架构

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：进一步分为一次侧和二次侧

  • 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，如冷水机组、冷却塔或干冷器，热量转移主要通过水温升降实现。

  • 二次侧：包含CDU（冷量分配单元）、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，热量转移主要通过冷却液温度升降实现。

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设备浸没其中；冷板式主要采用冷板贴附于核心热源（CPU、GPU、内存等）上方。

2.2 制冷工质的选择

三、液冷技术的主要驱动因素

3.1 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（去离子水、醇基溶液、氟碳类工质、矿物油等）的载热能力、导热能力和强化对流换热系数均远大于空气。针对单芯片，液冷相比风冷具有更高的散热能力。

低TCO（总拥有成本）：液冷散热技术虽会增加一定初期投资，但可通过降低运行成本快速回收。根据中兴通讯测算，以10MW数据中心为例，液冷方案（PUE1.15）相比冷冻水方案（PUE1.35），约2.2年可回收增加的基础设施初投资。施耐德数据显示，按每机架20kW和40kW部署液冷，投资成本比传统风冷分别节省10%和14%。

3.2 驱动因素二：算力功率密度提升，液冷逐步成为刚需

智算中心芯片功耗不断提升，单机柜热密度大幅快速提升。液冷将是高功率密度散热的主要方案：

• 英伟达B200芯片TDP功耗已达1000W

• GB200超级芯片（一颗Grace CPU + 两颗Blackwell GPU）功耗达2700W

• 从Blackwell到Rubin Ultra架构演进，Vertiv数据显示，AI GPU机架峰值密度有望从2024年的130kW增长到2029年突破1MW

3.3 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PUE提出更严格要求。以我国为例，新建大型和超大型数据中心PUE需降至1.25以内。

目前，标准风冷数据中心中温控环节能耗占比达40%（主要为精密空调消耗）。PUE值越接近1，表明能耗主要集中于IT设备。通过液冷替代精密空调，有助于降低PUE，实现节约能耗。

3.4 驱动因素四：CSP云厂商均在设计和启用液冷方案

主流云服务提供商（CSP）已纷纷布局液冷技术，推动液冷方案在数据中心的大规模应用。

四、液冷技术分类与详解

液冷散热技术主要分为冷板式、浸没式和喷淋式三大类。按照是否相变，冷板式可分为单相冷板式与两相冷板式；浸没式可分为单相浸没式与相变浸没式。

4.1 冷板式液冷（当前主流方案）

冷却液不直接接触电子器件，通过冷板间接传递热量。

特点：

• 兼容性强、易于维护、可靠性高（液体与设备不直接接触）

• 存在问题：未实现100%液冷，节能收益可能不显着；液冷板设计需适配现有器件布局，标准化难度大

冷板式技术分类：

• L2A（Liquid to Air）：空气辅助液体冷却，适用于传统空气冷却数据中心，无需额外液冷基础设施

• L2L（Liquid to Liquid）：通过CDU清除MW级IT热量，需要额外液冷基础设施

冷板式发展方向一：两相式
允许冷却液在冷却过程中发生相变（液态吸热沸腾为气态，冷凝端放热变回液态）。两相冷板式液冷系统有望实现2500W芯片散热。

冷板式发展方向二：微通道（MLCP）
MLCP（微通道水冷板）通过蚀刻工艺将传统毫米级流道缩小至微米级（30-150微米），并将均热板、水冷板、芯片封装盖板整合为单一单元，减少导热界面材料的使用，使冷却液更直接高效地带走热量。MLCP单价可达传统水冷板的3-5倍，毛利率较高。以GB300架构为例，一个机柜需要108+18个MLCP，报价约800-900美元/块。

前沿进展：微软已成功开发微流体冷却技术，通过细如发丝的微小通道将冷却液直接输送到芯片内部，散热效率比现有散热板高出三倍，能将芯片最高温升降低65%。

4.2 浸没式液冷

单相浸没式：

• 浸没机柜设计更简单，氟化液更易操作、维护

• 材料兼容性和循环中污染物隐患更少

双相（相变）浸没式：

• 通过冷却液沸腾（液相→气相）实现更高传热效率

• 功率密度可达250-500kW/浸没腔

• 冷却基础设施较简单（如使用干式冷却器，无需冷却水塔等蒸发降温设施）

五、总结

在高密度算力功率持续提升的背景下，液冷技术凭借其优异的散热能力、更低的TCO、对PUE政策的良好响应以及云厂商的积极推动，已成为智算中心散热温控的主要技术方向。冷板式液冷当前占据主流，未来将向两相式、微通道等方向演进；浸没式液冷在超高热密度场景中亦具有广阔应用前景。液冷技术的持续创新将为AI算力的爆发式增长提供坚实的热管理基础。