人工智能、5G通信、网上购物、手机支付、健康扫码等数字经济的加速应用，背后离不开数据中心的有力支撑。随着数字经济的蓬勃发展，我国数据中心整体用电量呈现高速增长态势。2015年大型数据中心耗电量为1000亿千瓦时，到2020年这一数字已达2000亿千瓦时，五年间翻了一番，相当于2个三峡大坝的全年发电量，约占全社会用电量的2.7%[1]，数据中心已成为重点监控的高能耗行业。

2021年10月18日，国家发展改革委印发《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》，旨在推动重点工业领域节能降碳和绿色转型，坚决遏制全国“两高”项目盲目发展，确保如期实现碳达峰目标。文件明确要求：到2025年，数据中心达到标杆水平的产能比例超过30%；到2030年，行业整体能效水平和碳排放强度达到国际先进水平，为如期实现碳达峰目标提供有力支撑。

在数据中心总能耗中，IT设备约占50%，散热系统约占37%，供电系统约占13%[2]。IT设备能耗属于基础性消耗，短期内难以显着降低；而散热系统的能耗优化与高效运行，则成为数据中心节能降碳的首要突破口。

1 数据中心散热系统的构成

IT设备所消耗的电能大部分会转变为废热。为了让设备在适宜的工作温度下正常运转，数据中心配置了冷水机组、冷却塔、精密空调等构成的制冷与散热系统，将废热排出机房。散热系统中，冷水机组、冷却塔、水泵、精密空调是能耗监控的重点对象。

当前数据中心的传热介质主要为空气和水。水的定压比热容为1.004kJ/(kg·K)，而水的比热容约为4200kJ/(kg·K)[3]，水的载热能力约是空气的1000倍。因此，以水作为散热介质是一种高效的节能手段。

为提升制冷系统能效，各环节均在持续优化：在热量采集侧，采用高效散热器与精确送风技术，强化热量收集；在精密空调侧，从房间级制冷向模块化机房、机架级制冷演进，使冷源更靠近热源，减少冷媒输送损耗；在冷源制备环节，从风冷向水冷、自然冷却发展，提升外部排热效率。

传统散热系统中，精密空调、冷水机组、冷却塔各自拥有独立的控制系统和运行策略，优化往往局限于局部环节。尽管单体设备已做到效率最优，但系统整体的散热效率仍有较大提升空间。要实现系统性的散热效率突破，需要从热量采集、冷源制备、外部排热等端到端环节进行协同管理和精细化控制，从而系统性降低散热系统的整体功耗。

2 端到端的液冷散热系统设计

2.1 板级液冷散热设计

随着算力需求爆发式增长，CPU与GPU的集成度和功耗均呈指数级上升，单芯片功耗已攀升至300W[4]，传统散热器和风冷方案已触及散热瓶颈。芯片作为热量源头，如何高效将其内部热量导出，是数据中心散热系统需要解决的首要问题。

从散热路径来看，芯片发出的热量首先需经过芯片内部传递到板级散热器，更高效的散热器方案更有利于热量的收集与导出。

对于功耗低于200W的单芯片、单机架功耗小于20kW的IT设备配置[5]，可继续采用空气作为传热介质，使用热管散热器与VC散热器，配合高导热系数的TIM材料（如石墨片、石墨烯等），有效降低芯片与散热器基板之间的扩散热阻，提升散热器的散热效率。

对于功耗大于200W的单芯片、单机架功耗大于20kW的IT设备配置[5]，空气作为传热介质已无法将芯片热量有效导出，必须采用液体工质进行散热。液冷冷板散热是目前较为成熟的板级芯片散热技术。液冷冷板包括进液接头、出液接头、上盖板与底板，上盖板与底板之间通过真空钎焊工艺连接，形成密封的液体换热腔体。腔体内部根据芯片位置与散热需求设置分液腔和不同宽度的导流沟槽，以实现液体流量的节流控制和增强扰流，提升冷板的局部散热能力，消除高功率芯片造成的热点散热瓶颈，其内部构造如图2所示。

在同一机架中，不同单板的功率和热点分布各不相同，但供液管路在进液接头处的供液压力基本相同，因此需要通过冷板的分液腔进行节流控制——对于功耗较低的单板，可减少工质供应流量。

液冷冷板在实际设计中通常覆盖CPU、内存等主要高功率器件，但电阻、电容等大多数器件未覆盖，会产生少量余热，需要通过风扇辅助散热，因而系统呈现液冷与风冷并存的局面，散热效率仍有提升空间。若通过TIM材料使冷板与所有器件实现搭接覆盖，在技术上可实现100%全液冷散热，但冷板的成本和复杂度随之增加。在追求高效散热的同时，还需综合权衡初期投入。若节点单板种类单一，可考虑采用全覆盖冷板，通过发货量提升带来的规模效应降低单位成本，从而实现节能降碳与经济效益的平衡。

冷板式液冷通常采用去离子水作为工质，其比热容高，能快速吸收热量，且无腐蚀性，对管路可靠性无影响。冷板液冷属于间接式液冷，芯片与液体工质不直接接触，可靠性高、技术成熟。但由于芯片与液体之间存在热阻，部分厂家开始推广浸没式液冷方案——将IT设备整体浸没在冷却液中，芯片与液体直接接触，消除了界面热阻，同时利用工质相变过程带走更多热量，成为液冷散热的新热点。浸没式液冷最常用的工质为氟化液，目前成本较高，是大规模商用面临的主要障碍。

2.2 机架级液冷散热

在数据中心中，IT设备以机架为单位进行部署，机架用于容纳服务器、存储器、网络交换机等信息设备。板级散热将单个IT设备的热量导出后，还需通过整机架将热量汇集并传递至室外。

机架级液冷散热的主要组成部分包括进出水Manifold、监控单元、温度传感器、电磁阀与单向阀等，如图3所示。进出水Manifold对外连接机房级液冷分配单元，对内通过快接头连接液冷冷板的进液与出液接头，系统热量通过Manifold传递至机架外部。

电磁阀与单向阀用于控制液体流动方向，确保在发生漏液时将故障范围控制在单个机架内。温度传感器用于实时检测进出水温度，利用温差对电磁阀开度进行控制，调节进出水流量，确保供热量与实际热负载相匹配。

液冷系统常用工质为去离子水，理论上不会造成短路，但电路板或电子部件表面往往附着灰尘杂质，去离子水接触后仍可能造成短路，这也是液冷散热在实际推广中面临的最大顾虑。针对冷板泄漏问题，需从质量管控、微量泄漏监控、突发大量泄漏预防三方面进行系统防控。

质量管控分为生产环节和安装应用环节。生产环节要求工艺可靠：100%冷板进行保压测试，使用超声波抽检探伤；快速插拔接头需进行有效插拔次数与长期可靠性验证。安装应用环节要求二次管路安装前冲洗干净，防止杂质颗粒造成快接头堵塞、弹簧卡顿、橡胶圈失效等故障隐患。

若冷板发生微量泄漏，需实现检测告警，提示维护人员及时维修。检测方法包括两种：一是采用水浸传感器检测，传感器安装在积水盘上，当泄漏液体汇集至积水盘时触发告警。该方法成熟可靠，但需要泄漏液体沿单板和机架组件流至积水盘，此时泄漏量已较大，可能在流动过程中已造成单板或器件损坏。二是实时监测法，在工质中混入低沸点示踪物质，当发生泄漏时，通过单板内置的气体传感器提前检测，实现早期预警。针对突发的大量泄漏，虽发生概率较低但影响极大，可在机架级Manifold进出水管路入口处设置单向阀，当检测到较大压力差时自动关闭，切断故障回路。

2.3 机房级液冷散热设计

机房级散热的目标是将机架传出的热量最终排至室外。机房级液冷方案包括液冷模块化机房、冷水机组、水泵、冷却塔、管路等，如图4所示。

通常情况下，一个液冷模块化机房内部包含2个互为备份的液冷分配单元CDU、10-20个IT机架、1-2个行级空调及供配电设备。CDU（冷量分配单元）用于IT液冷机架间的工质分配，提供二次侧流量分配、压力控制、物理隔离与防凝露等功能。实际运行中，CDU将一定流量、一定温度的冷却水送入IT液冷机架，通过Manifold进入液冷冷板，带走处理器及关键部件产生的热量。被加热的冷却水回流至CDU的中间换热单元，将热量释放至室外回水管路，再通过冷水机组或干冷器排放至室外环境，完成对液冷服务器的热量管理。

CDU通过调节送入液冷冷板的工质温度与流量来向IT机架提供冷量，起到冷量分配的核心作用，内部的换热单元同时实现了模块化机房与室外供液回路之间的物理隔离。由于CDU作用关键，通常采用1+1备份。目前大多数CDU控制系统通过检测进出水温度与供液压力来控制供液水泵转速，尚未与机架内部温度检测实现联动，控制方式相对粗放。为解决此问题，部分应用将集中供液的CDU改为分布式CDU，将CDU内置到机架中，使流量调节与机架内业务运行状态和功耗波动实现精准匹配。集中式CDU适用于液冷机架数量较多、可整合为模块化机房的场景；分布式CDU则适用于液冷机架数量较少（2-3个）的场景，部署灵活便捷。

3 结语

在“双碳”目标的牵引下，数据中心承载着双重使命：一方面通过集约化与规模化运作，为数字经济提供充足的算力支撑。在算力效能持续提升的驱动下，高密度机架与高功耗芯片的广泛应用，使传统风冷散热面临瓶颈；另一方面，借助高效散热器、液冷散热、干冷器自然冷源等多种技术手段，数据中心也在不断降低自身能耗。

采用液冷散热后，散热效率显着提升[6]，散热系统能耗占比从37%降至约10%，节能减碳效果十分显着。若全国50%的新建数据中心采用液冷散热方案，每年可节省约450亿度电，减排300万吨二氧化碳，为实现碳达峰碳中和目标贡献重要力量。