2025年液冷行业深度分析：智算需求驱动冷却技术升级，液冷生态迎成长契机—AIDC系列深度（二）

1 冷却系统：数据中心的“体温”调节中枢

如同人类依靠皮肤调节体温，冷却系统是数据中心调节温度和湿度的主要“器官”。一个 标准的数据中心由三个主要部分组成：1）信息技术（IT）设备：功能项；2）冷却系统： 防止数据中心热失控并保持 IT 设备温度适宜；3）配电单元：同时为冷却基础设施和 IT 硬件供电。 在物理学中，“电”和“热”往往相伴而生，其本质是能源守恒定律下，电流做功（电能） 转化为热能，基本上数据中心消耗的所有电量都会转变成热量，功耗越大，产生的热量越 多，当一定数量的 CPU、GPU 被集成以机柜或者数据中心的规模同时散热时，还会导致密 闭空间的数据中心内部环境升温。 对于数据中心而言，可靠性和正常运行时间是首要关注点，其中电子设备的安全较大程度 取决于稳定的空气温度和相对湿度，制冷系统一旦中断，只能通过数据中心内部空气、IT 设备和建筑围护结构吸热，这将进一步加重 IT 设备的散热负担；实践表明，数据中心服 务器温度每升高 10℃，设备可靠性和寿命就会降低 50%，因此即使是很短时间的中断或失 效，也可能导致运算效率降低、硬件损坏或者数据丢失，进而导致数据中心停摆。

过去几年，因制冷系统故障导致的数据中心服务中断每年都有发生。2018 年德州雷暴导 致微软 Azure South Central US 机房冷却停摆，微软只得断电保护，区域内全部云服务 先后离线，全球依赖该区的活动目录、开发运维等业务恢复历时逾 24 小时；2022 年英国 极端热浪中，伦敦地区的 Google Cloud 数据中心机房多路冗余制冷同时罢工，谷歌被迫 关闭服务器以防过热，导致英、美等地众多在线服务接连瘫痪数小时；2023 年 3 月，广州 电信数据中心的一次冷却故障同样让机房温度飙升，腾讯旗下业务微信、QQ 及其支付体 系在高峰时段集体离线，被官方定性为“一级事故”。

2 算力需求与双碳目标共举，液冷方案有望加速渗透

根据 TrendForce 预测，2025 年液冷在全球数据中心的渗透率将从 2024 年的 10%增长至 20%以上，虽然风冷在存量市场仍占主导地位，但在算力需求提升、节能减排的社会目标 下，液冷正在成为芯片/机架级冷却的主流解决方案。 一方面，英伟达最新发布的 GB300 OEM/ODM 供应商均采用全液冷方案；另一方面，2024 年 7 月由四部委发布的《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》提出，到 2025 年底，全国 数据中心平均电能利用效率（PUE）降至 1.5 以下，而根据 2025 年 6 月 1 日新闻，最新一 批“国家绿色数据中心”的 PUE 平均值已降至 1.26，PUE 指标持续下降是新建及存量数据 中心改造的必然趋势。

2.1 需求层面：智算中心催生高算力芯片，系统级功耗大幅提高

ChatGPT 引爆的生成式 AI 浪潮让智能算力需求呈爆发式上升，数据中心产业投资开始从 通用算力中心迅速转向智能算力中心。 通用算力是基于 CPU 提供的基础计算能力，智能算力是依靠 GPU、FPGA、ASIC 等芯片加速 特定类型的运算；根据工信部印发的《算力基础设施高质量发展行动计划》定义，智能计 算中心是通过使用大规模异构算力资源，包括通用算力和智能算力，主要为人工智能应用 （如人工智能深度学习模型开发、模型训练和模型推理等场景）提供所需算力、数据和算 法的设施。 智算中心在芯片体系、网络拓扑和软件栈上都与传统数据中心存在本质差异，其核心价值 在于按需聚合、调度 GPU 级别的高并行算力，机柜功率、带宽密度和服务器整机规模均 远超传统云数据中心。 为了满足不断攀升的算力需求，海外以英伟达为首，国内以华为为首的服务器供应商陆续 推出匹配智算中心需求的芯片架构及系统方案： 1） 英伟达：Blackwell 架构下已经实现量产出货的三款产品 B100-B200-GB200，单芯片 半精度（FP16）算力从 1.8Pflops 提升至 5Pflops，同时最大热设计功率（TDP）从 700W 提升至 2700W，从最新发布的 B300/GB300 来看，GB300 算力较 GB200 提升 50%，B300 TDP 较 B200 增加 200W。 2） 华为：910B 半精度（FP16）算力达 320Tflops，最大功耗 400W，2024 年 Q4 推出 910C， 半精度（FP16）算力飞涨至 780 Tflops，相同任务下功耗降低 30%。

虽然从单芯片参数上，国内与海外还存在代差，但华为提出基于 910C 的纵向扩展解决方 案 CloudMatrix384 半精度算力达到英伟达 GB200-NVL72 的 1.7 倍，CM384 通过多对多拓 扑连接 384 个昇腾 910C 芯片，且由于横向及纵向拓展网络大规模采用 400G 光模块而非 铜缆，总系统功耗较高、接近 600kW。

随着单芯片及机柜级功率密度提升，传统的风冷方案难以充分冷却设备，TGG 建议把 15- 25 kW 机柜功率作为“未使用背板换热器等其他制冷设备”的风冷解决方案的上限，一般 认为机柜功率密度 20 kW 以上的人工智能集群不适宜采用风冷方案。据统计，英伟达 GB300 OEM/ODM 厂商均采用全液冷架构。国内华为 910C 单芯片虽然还未达到必须采用液冷的功 耗门槛，但从系统级能耗来看，CM384 方案对散热提出了更高要求。

2.2 政策层面：数据中心 PUE 指标趋严，老旧存量项目面临关停

PUE（Power Usage Effectiveness）是评估数据中心效率水平的重要指标，PUE=数据中心 消耗的所有能源/IT 负载消耗的能源，其中 IT 负载消耗是指用于计算、存储和网络设备 的电力和能源，PUE 越接近 1，数据中心的能效水平越好。 作为 “新基建” 的数字底座与核心代表，数据中心在国家“双碳”目标战略框架下被赋 予更高维度的绿色发展使命。国家层面对于大型数据中心 PUE 指标要求逐年提高，根据 2024 年 7 月国家发改委、工信部、能源局、数据局联合发布的《数据中心绿色低碳发展专 项行动计划》，要求到 2025 年底，新建及改扩建大型和超大型数据中心 PUE 降至 1.25 以 内，国家枢纽节点数据中心项目 PUE 不得高于 1.2。

除了国家层面对数据中心能耗指标提出硬性要求外，各省市对不符合要求的存量低效数据 中心提出了严格的改造或关停要求。例如北京市《北京市存量数据中心优化工作方案 （2024-2027 年）》中提出引导全年电力能源消耗量在 5GWh 及以上、PUE＞1.35 的存量数 据中心完成绿色低碳改造、转型为智能算力中心，2026 年起对 PUE 值高于 1.35 的数据中心征收差别电价；上海市《上海市推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动计划（2024- 2027 年）》中提出加快既有数据中心升级改造，将规模小、效益差、能耗高的小散老旧数 据中心纳入产业限制和淘汰目录，加大高效制冷技术和新能源推广应用力度。

在运行成本结构中，制冷系统一直是仅次于 IT 负载的第二能耗大户，当前数据中心制冷 能耗占约 20%-30%，传统风冷方案下能耗可达 50%-70%，因此降低制冷系统的能耗可以显 著提高数据中心的电能利用效率，相比空气，液体凭借更高的热传导效率，能够在更低的 能源消耗下实现更好的散热效果，从而进一步降低 PUE。

3 液冷技术路线及零部件拆解：以核心零部件为基础，迈向一体化交付

液冷以冷却液为媒介带走设备产生的热量，在处理高负载任务时保持设备的稳定性、提高 系统能效。 根据冷却液是否与电子器件直接接触，液冷技术分为直接式液冷和间接式液冷。间接式液 冷以冷板式为代表，冷却液流经 CPU/GPU 顶部的冷板，IT 设备与冷板交换热量，电子元 器件不与冷却液直接接触；直接式液冷以浸没式为代表，服务器完全或部分浸入绝缘冷却 液中。 根据冷却液在散热时是否有形态上的变化，液冷技术又可以分为单相和两相，其中单相指 冷却液始终以液体的形式循环，两相是指冷却液在吸热时发生气液相变，从而获得更大的 进出温差，在散热方面优于单相。

3.1 冷板式液冷——大规模及存量数据中心改造主流方案

通用的液冷系统架构由三个主要的要素构成，分别是一次侧（室外）的冷源、二次侧（室 内）的热捕获形式和冷量分配单元 CDU。基于以上要素，冷板式液冷系统的原理即冷却液 通过冷板捕获芯片热量后，输入至 CDU 与一次侧交换热量，最后通过冷却塔等设施输出至 外界环境，完成散热。

通常由冷量分配单元 CDU、冷板、循环管路、快接头 UQD 和分水器 Manifold 等组成；一 次侧回路位于数据中心外部，主要包括室外散热单元、一次侧水泵、定压补水装置和管路 等。

3.2.1 冷量分配单元 CDU：冷板式液冷系统的“心脏”

二次侧是冷板式液冷的核心部分，其中 CDU 承担着一次侧与二次侧回路之间的热量交换与 工质管理功能，由换热器、二次侧水泵、管路组件、传感器、配电控制箱等主要部件与过 滤器、稳压装置、自动补液装置等辅助功能模块组成，其工作原理是通过内部的换热器将 二次侧吸收的高温冷却液与一次侧的冷冻水等介质进行热交换。

作为二次侧冷却的核心环节，CDU 机组的主要性能取决于循环泵和热交换器的性能。 CDU 中的水泵起液体流量输出的作用，在一定的流速范围内，单位时间流经散热区域的液 体量越多，可携带的热量越大，散热效果越好。水泵的核心参数包括流速、扬程参数、功 率效率比：随着智算中心 IT 系统的 TDP 增大，CDU 的流速设计需要随之提高；水泵设计 具备一定的扬程参数以克服管路的阻力损失，保证冷却液的稳定流速；功率效率比直接影 响 PUE，采用磁浮轴承技术的水泵由于摩擦导致的能量损失较小，比传统机械轴承方案节 能 30%以上。 热交换器决定了 CDU 的冷却能力，根据一、二次侧的冷却介质分为液-液（L2L）热交换器 和风-液（L2A）热交换器，顾名思义，液-液热交换器用于全液冷系统，一次侧、二次侧 冷却液在间壁式换热器内部被壁面分开的独立空间中流动，通过流体对壁面的对流和导热 进行换热，根据结构可分为管式、板式等形式。

考虑到部分存量数据中心的改造需求，风-液换热器可以满足一次侧风冷、二次侧液冷的 组合，为传统数据中心提供更通用、易于实施的冷却方案。一次侧方向通过风扇将环境温 度的空气吹过流入热交换器且携带芯片热量的二次侧冷却液，将热量带至外界环境。

根据 CDU 在数据中心的设计位置，可分为集中式 CDU 和分布式 CDU。集中式 CDU 位于机柜 外，可同时服务多台服务器机柜，为提高系统的可靠性，二次侧 CDU 一般按不低于 N+1 的规模进行配置；分布式 CDU 位于机柜内，仅服务所在机柜的服务器，适用于规模较小的液 冷数据中心。

3.2.2 冷板：二次侧热交换的“起源”

冷板是直接承担热捕获的组件，其核心功能是将服务器中 GPU 等高发热部件的热量，通过 金属基导热材料精确、高效地传递给流动的冷却液，从而保障芯片在高功率密度运行时温 度保持稳定，因此通常由铜或铝等高导热金属加工而成。 结构上，冷板的底面平整度与微观粗糙度直接影响与芯片接触界面的热阻，内部空心通道 结构决定流体力学性能及热量捕获效率，结构上看，冷板由热源对接面、内部流体通道和 进出口接口三部分构成： 1） 对接面：通过涂抹高性能导热膏与器件背部紧密贴合，使界面热阻最小化； 2） 内部流道：流动传热模型的主要研究对象，不同的微通道冷板可以实现不同的冷却效 果，内部形状丰富，通常为翅片结构； 3） 进出口接口：一般为标准化快接头，既要保证低压损、高密封性，又要便于快速维护 和更换。

评估冷板性能的两个核心指标：压降和热阻。液冷板的压降是指在液体通过内部微通道时 产生的阻力损失，当压降达到一定值时，冷却液的流速减缓，进而影响液冷板的换热效率 和冷却能力。热阻是指冷板两端的温度差（冷端-热端）与热流量的比值，热阻越低，冷 却效果越好。 以上两个指标除了与冷板微通道结构设计相关，还可以通过相变技术优化，使用沸点较低 的冷却剂，利用其吸热蒸发的相变过程实现散热，两相液冷技术除了能吸收更大的潜热外， 还可以使冷却液在流经多个处理器时保持稳定且持续的冷却效果，由于蒸发过程不受液体 流动方向的影响，每个处理器都能被单独且有效冷却。

3.2.3 冷源：一次侧冷量供应“上游”

液冷系统冷源位于一次侧，是热传递至环境的最后一个过程，也是整体冷量的来源。冷源 冷却方式的选择主要取决于二次侧末端设备对温度的需求。

自然冷却系统即将外界环境温度作为免费冷量，通过开式冷却塔/闭式冷却塔/干冷器或泵 驱两相系统等设备直接利用自然冷源，为系统提供冷却水循环。干式冷却塔与闭式冷却塔 的主要差异点在于循环水是否直接与空气接触；干冷器顾名思义不通过液体蒸发散热，通 过空气强制对流带走热量，可以简单理解为去除循环水的闭式冷却塔。

机械制冷系统依靠带有压缩机的直膨系统提高制冷效率，压缩机将冷媒加热至高温高压状 态，经过冷凝器冷却、膨胀阀降压后即可得到低温冷媒，根据冷却冷媒的不同方式，可以 分为风冷冷水机和水冷冷水机，分别通过空气和水对冷媒进行冷却。 风冷冷水机组依托风扇，通过空气直接带走冷凝器释放的热量实现冷媒冷凝，向下游设备 提供冷冻水。风冷冷水机组结构简单、安装方便，无需冷却塔、水泵及水路管道系统，适 合水源不足的场合，但冷凝温度受室外环境温度限制，能效较低且噪声大。 水冷冷水机组与风冷冷水机组主要在冷凝器部分存在差异，通过冷却塔水循环实现冷媒冷 凝，制冷效率更高，稳定性更强，但初期投资与维护成本较高，耗水量大。

数据中心考虑节约能源一般会优先采用自然冷源，但自然冷源受当地气候和资源影响较大， 存在不确定性，为了制冷系统的稳定运行，根据数据中心当地温度及进液温度需求，采用 机械冷源和自然冷源切换使用的模式也较为常见，在气温较低的季节主要采用自然冷源， 而气温较高时主要采用机械冷源，例如 xAI Colossus 数据中心就同时采用了开式冷却塔 与风冷冷水机组作为一次侧冷源。

3.2.4 其他核心零部件：定制化程度较高

1）Manifold：冷却液分配“管家”

Manifold 是冷板式液冷回路中衔接 CDU 与服务器冷板的分配枢纽，由一对供液/回液主管 和多个节点组成，冷却液由 CDU 泵送进入供液管，再经若干节点连接管路送至每块服务器 冷板，吸热后返回节点并汇集到回液管，最终返回 CDU，形成闭式循环。

Manifold 需要具备高强度和耐腐蚀性，通常选用高强度不锈钢进行制造。数据中心可以 根据服务器数量和内部空间来选择定制不同规格的 Manifold，分支口数量和分支口间隔 都可以进行个性化调整。

2）快接头：液冷循环系统的防漏水“小关节”

快接头用于 Manifold 与服务器的连接，节点之间的连接与关断，由公头与母头配合，内 部集成密封件、弹簧、锁紧机构和导向槽等部件，能够在带液带压状态下实现瞬时插拔而 不滴漏。材料上多选用耐腐蚀的不锈钢或硬质阳极化铝合金，兼顾机械强度、轻量化和成 本考量。 快接头按插拔方式可分为手插式快接头和盲插式快接头。手插式快接头一般配套管路，快 接头用于管路两侧与 Manifold、服务器的连接，需要运维人员手动对准并锁定；而盲插式 快接头则将公头和母头分别安装在服务器背侧和 Manifold 上，在将服务器通过导轨插入 至机柜时，快接头自动完成对接，管路位于服务器内部，将冷却液运输至冷板。

盲插式快接头在可靠性、可维护性、可安装性、架构演进性等多个方面体现出优越性，为 了在有限空间内堆叠更多 GPU，数据中心往往需要紧凑布线，维护通道狭小，盲插快接头 无需人工对准、插拔迅速且对空间要求低，可显著降低运维难度，满足自动化巡检或更换 冷板的需求。

盲插式快接头由于被固定在服务器上，需要与机柜、Manifold 等进行适配，难以与机柜解 耦，因此往往在整机柜方案中被使用。2019 年，华为在整机柜产品中首次应用后，越来越 多的厂商开始选择盲插式快接头，英伟达在 GB200 NVL72 中也采用了盲插式快接头的设 计，随着大规模、多机架数据中心的落地，盲插式快接头有望进一步渗透市场。

3）管路：液冷系统的“血管”

冷却管路是冷却液及热量运输的主要通道，管路材料的选择关系到整体系统的可靠运行， 要求耐腐蚀、防泄漏、寿命长、与冷却液适配性，常见的管路类型分为软管、金属管，软 管主要材料包括三元乙丙橡胶（EPDM）、氟化乙烯丙烯（FEP）、聚四氟乙烯（PTFE），金属 管主要材料为不锈钢。

4） 冷却液：液冷系统的“血液”

在冷却液选择方面，冷板式液冷多使用水基冷却液，具备导热性强、成本低、工艺成熟等 优势，适用于单相液冷系统；两相冷却系统则通常选用低沸点的碳氟类冷却介质，换热效 率更高，但对密封和系统复杂度要求较高。目前单相冷板仍是主流，其中华为、曙光、 超 聚变以 25%乙二醇溶液为主，浪潮、新华三以 25%丙二醇溶液为主。

3.2.5 一体化交付为当前主要模式

目前冷板式液冷是国内交付体量最大、应用最成熟的液冷方式，从风冷方案过渡改造的变 动最少，相较于其他液冷方案价格更低，是当前数据中心的液冷首选。 当前液冷系统的交付模式主要分为三种：1）仅交付“液冷服务器”；2）交付“液冷服务 器+液冷机柜”；3）“液冷服务器+液冷机柜+CDU+二次侧管路”一体化交付。

考虑到当前 OEM/ODM 厂商液冷系统偏向定制化，不同厂商生产的组件在连接方式和与冷却 工质的适配度上存在差异，因此为减少数据中心现场安装和配置的工作量、加快数据中心 建设速度，厂商往往更倾向于选用一体化交付方案，实现快速部署；液冷系统各零部件之 间的兼容性由同一方案商解决，也有利于为数据中心提供更加快捷、完善的质保服务，方 便后期运维工作。 “液冷服务器”或“液冷服务器+液冷机柜” 这类解耦化的方案虽然仍存在组件兼容性的 问题、交付较少，但灵活性更强，适用于更加标准化的液冷生态发展。

3.3 浸没式液冷——二次侧结构更加简单，冷却液选择是关键

浸没式液冷是将发热的电子元器件完全浸没在绝缘冷却液中，通过液体的高热容量和导热 性能实现热量的快速捕获与传导。浸没式冷却系统的通用架构与冷板式一致，二次侧由冷 却池（Tank）、冷却液、热交换器（CDU）和循环泵组成。

浸没式与冷板式在材料和架构上的变化主要在于： 1） 二次侧结构更加简单。浸没式液冷仅依赖一个密封的浸没槽、循环泵与热交换单元即 可支撑成百上千节点的统一冷却，不需要为 CPU、GPU 等高发热部件定制冷板、manifold、 快接头等部件，极大简化系统集成和现场施工难度，减少潜在的泄漏风险和维护工时。 2） 冷却液材料选择更加谨慎。冷却液是影响浸没式液冷冷却性能的关键，从材料来看， 常见的冷却液分为氟化液、油类（矿物油、硅油、合成油）两大体系；从吸热过程是 否发生相变来看，冷却液的沸点是选择的主要依据，单相浸没液冷需要选择高沸点的 油类冷却液，防止冷却液在升温状态下挥发，两相浸没液冷则通常选择低沸点的氟化 液。 虽然两者在性能上各有千秋，但值得注意的是，由于环境破坏问题，欧盟提出在 2028 年之前全面禁用全氟烷基和多氟烷基物质，美国多州出台氟禁令，从国际环保趋势来 看，数据中心或将被限制大量使用氟化液作为冷却工质。

3） 与数据中心 IT 设备的兼容要求提高。服务器中除了 GPU、CPU 外，存储器也是重要的 单元之一，主要的存储设备包括传统机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SDD），根据西部数 据统计，HDD 仍然是数据中心的主要存储方案，但在浸没式液冷中，冷却液通过呼吸 孔流入机械硬盘内部将导致硬盘损坏，因此 HDD 无法直接置于冷却液中工作，相对而 言 SDD 的兼容性更高。此外，冷却液是否会与服务器材料发生物理、化学反应也是考 量因素之一，例如研究显示油浸服务器组件在运行 6 个月后明显褪色，虽然对机械可 靠性不造成直接影响，但可能会限制对部件的识别。

3.4 喷淋式液冷——定点高效散热方案

喷淋式液冷是一种直接接触式液冷技术，冷却液通过重力或系统压力直接喷淋在服务器 CPU、GPU 等高发热部件表面或相连的导热材料上，实现点对点的高效热量捕获与传导。在 通用液冷架构下，喷淋式液冷二次侧由热交换器（CDU）、分液管（manifold）、喷淋液冷 机柜和循环泵组成。

喷淋式与冷板式在材料和架构上的变化主要在于： 1） 无相变模式。冷却液从 manifold→微型喷嘴→IT 设备→收集排出机柜始终以液体的 形式循环，且由于冷却液直接接触芯片，因此需要选择高沸点、绝缘导热、抗氧化的 冷却工质。 2） 点对点精准布置。喷淋液冷系统可以根据服务器发热体位置和发热量大小，对布液板 做精准设计，使冷却液以按需供给且流量可控的方式精准喷淋到发热部件上。

编辑：火腿肠