2025年数据中心及AI服务器液冷冷却液行业分析框架

主流冷却路径梳理

数据中心规模持续提升，散热问题愈发显著

数据中心，指为具备计算能力、存储能力以及信息交互能力的IT应用系统提供集中存放的场所，通过统一标准建设，可实现系统的稳定、可靠运行。随着全球数字化技术、AI技术蓬勃发展，全球数据中心规模快速增长。根据中国信通院、中商产业研究院及科智咨询数据，2017年全球数据中心规模为465.5亿美元，预计2027年将达到1632.5亿美元，期间复合增长率达13.4%。

数据中心电能利用效率（PowerUsageEffectiveness，PUE），指数据中心总耗电量与数据中心IT设备耗电量的比值。PUE越接近1表明用于非IT设备耗能越低，数据中心绿色化程度越高。

数据中心高效冷却技术的发展迫在眉睫。数据中心产业快速发展的同时，也带来了能耗大幅增长的问题。据《中国数据中心能耗现状白皮书》，2015年全国大数据中心的耗电量已达1000亿kWh，相当于三峡电站全年的发电量；2018年数值迅速爬升至1609亿kWh，超过上海全年的社会用电量。根据2020年国家工信部公布的《全国数据中心应用发展指引（2020）》，全国在用超大型数据中心平均PUE达1.46，大型数据中心平均PUE为1.55；2021年7月工信部公布《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》，到2023年底新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下；2022年7月国家发改委同意启动建设全国一体化算力网络国家枢纽节点的系列复函中指出，国家算力东、西部枢纽节点数据中心PUE分别控制在1.25、1.2以下；2023年4月，财政部、生态环境部、工信部联合印发《绿色数据中心政府采购需求标准（试行）》中提出，2023年6月起，数据中心电能比不高于1.4,2025年起数据中心电能比不高于1.3。

风冷散热效率难以匹配，液冷方案成为数据中心散热更优选择

风冷散热效率逐渐难以匹配数据中心功率，绿色数算及芯片效率使液冷技术成为未来发展趋势。数据中心最初依赖风冷系统散热，随着数据中心的超大型化和高密度化发展，数据中心功率快速提升：当前X86平台中央处理器（CPU）最大功耗已达400W，图形处理器（GPU）功率突破700W，网络介质访问控制（MAC）芯片功率更达到800W量级。英伟达DGXA100服务器在训练ChatGPT模型时，单服务器功率突破6.5kW，较传统服务器提升16倍，NVL72单柜已经超过120kW。这种功率的跃升直接导致芯片热流密度超过120W/cm²，远超风冷散热极限。热力学模拟显示，当芯片结温超过75℃时，其故障率将呈指数级增长，迫使散热技术必须实现从空气对流到液体传导的根本性转变。此外，风冷系统通常需要大量的风扇和空调设备，约占数据中心能耗的43%，PUE较高。2023年三大运营商联合发布的《电信运营商液冷技术白皮书》明确要求，2025年新建数据中心液冷应用比例需高于50%，直接推动液冷技术从试点转向规模化部署。

液冷路径主要包括冷板式、浸没式、喷淋式

冷板式液冷是目前应用最广的方式，浸没式散热效率最高。根据科 智咨询，冷板式液冷应用更加普遍，2022年冷板式液冷应用比例达 91%，是现阶段及未来较长一段时间的主流液冷技术形式，冷板式液 冷数据中心已形成相对成熟的解决方案，通过冷板和冷量分配单元 CDU（CoolingDistributionUnit）带走IT设备80%的热量，不需要对 数据中心机房进行大规模改造，但解热能力上限仍不如浸没式液冷。 浸没式液冷应用比例达8%，冷却液介质需直接与设备接触，兼容性 较差，专用机柜对于管路要求高，维护复杂，冷却液介质如氟化液 售价高昂且使用量较大，整体运维成本较高，但浸没式液冷解热能 力更高且噪音最小。

液冷技术商用条件逐渐成熟，实践案例不断增多

液冷技术的商业化实践逐渐增多。当前我国液冷技术正在快速发展并已经拥有规模化的商用案例，这与我国数据中心规模不断扩大且单机柜功率密度不断提升有关。阿里巴巴、百度、腾讯、华为、中科曙光等IT企业已有成熟的液冷技术应用案例，阿里云早在2016年就发布了其首套浸没式液冷系统，并于第二年完成了浸没式液冷集群的构建；在其后的2018年，阿里云建成首个互联网液冷数据中心；到2020年，阿里云又打造了中国最大规模的单相浸没式液冷数据中心暨全国首座5A级绿色液冷数据中心。同时，阿里云还与合作伙伴一起，在2021年发起成立了浸没液冷智算产业发展论坛，以协同技术创新、实践积累来驱动生态繁荣，推动整个液冷产业的发展。

冷板式液冷：成熟度最高、应用范围最广的液冷散热方案

冷板式液冷通过冷板将热元器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液带走热量，并将其传递到一次侧回路，通过冷却系统进行冷却，最后将热量排出系统。冷板式液冷系统可分为一次侧（室外）循环和二次侧（室内）循环两部分，其中一次侧的热量转移主要是通过水温的升降实现，二次侧主要通过冷却液温度的升降或冷却液的汽化吸热实现热量转移。冷板液冷具备兼容性好、成本低、维护方便、技术成熟度高等优势。

冷板式液冷选用的冷却液包括水基冷却液和非水基冷却液。水基冷却液具备良好的传热性能，分为纯水液和配方液。纯水液不添加其他材料，通过维持超低电导率环境抑制浸润材料的腐蚀和微生物的滋生；配方液以纯水为溶剂，添加一定比例的防冻剂、缓蚀剂、杀生剂等添加剂，通过添加剂降低浸润材料的腐蚀和抑制微生物生长。非水基冷却液分为碳氢及有机硅类和碳氟化合物类。碳氢及有机硅类一般被称为油类冷却液，可分为天然矿物油、合成油、有机硅油等，具有高沸点、不易挥发、环境友好、毒性低等特点、成本较低，但存在闪点，使用中有可燃助燃风险，且由于粘度和易吸湿水解等问题一般不作冷板式液冷冷却液。碳氟化合物具有良好的电绝缘性和传热性能，无闪点不可燃，是良好的兼容材料。水基冷却液凭借高沸点和良好的传热性，是单相冷板理想冷却液。两相冷板式冷却液发生气液相转化，需选择较低沸点、适宜沸程的碳氟冷却液。

微通道水冷板液冷：AI算力需求持续增长，芯片散热新赛道

微通道水冷板液冷（MLCP, Micro-Channel Liquid Cooling Package）是一种将微米尺度的冷却通道直接集成在芯片封装内部或与其紧密贴合的散热技术，通过蚀刻等技术在芯片盖板（IHS）或特殊设计的冷板内部制造出宽度仅几十到几百微米的密集通道网络，让冷却液得以无限接近甚至直接流经芯片热源，从而极致高效地带走热量。

微通道冷板技术的快速发展主要由市场需求和领先企业的战略布局共同推动：一方面是AI芯片巨头的迫切需求：以英伟达（NVIDIA）为主要代表，GB200芯片功率已突破2000W，传统散热方案已无法应对。据财联社，英伟达正积极要求供应商开发MLCP技术，并将其视为关键战略方向。此外，据财联社，近日微软也宣布微软团队已成功开发出微流体冷却技术，通过微小通道直接将冷却液输送到芯片内部，散热效率是现有散热板的三倍。另一方面是专业散热解决方案供应商的技术突破。

技术优势明显但难度显著提升，微通道的结构复杂，制造难度较大，在薄盖板上蚀刻/加工微通道需要高精度制造和可靠性验证；流体在微小通道内流动会遇到巨大的流动阻力，导致系统的压降显著增加，要求泵提供更高的泵送功率，增加了系统的能耗和复杂性；此外，微通道的孔径极小，且不同冷却液在微通道中的流动特性、腐蚀特性不同，需选择合适冷却液并解决腐蚀、结垢、堵塞等问题。

水基冷却液

水基冷却液主要用于单相冷板液冷，具有传热好、成本低等优点

水基冷却液分为纯水液和配方液，主要应用于单相冷板式液冷技术中。其传热性能良好，但在光照和适宜温度下，冷却系统内可能滋生藻类、细菌等。其中纯水液主要成分为去离子水，不添加其他物质或添加一定比例的乙二醇/丙二醇防冻剂；配方液以纯水为溶剂，添加防冻剂、缓蚀剂、杀生剂等配置而成。其具有防腐保护、抑制微生物生长、低电导率等优点，但却也面临高成本、添加剂需定期更换、潜在兼容性等问题。在核心的防腐工作上，配方液中的抑制剂通过在金属表面形成一层极薄的致密保护膜，将金属与氧气隔离，进而抑制腐蚀的发生。此外，也可通过调节PH值及抗电解等方式进行防腐。

当前单相冷板式液冷占据市场主导地位，是现阶段主流技术路径。单相冷板液冷具有冷却液仅在冷板内部流动，完全封闭的特点。考虑到系统的换热效率及防止泄漏事故发生，冷却液的散热能力、防腐性能和微生物控制能力是十分重要的选择标准。而水具有优秀的导热性并且流动阻力小等优势，在单位体积下的散热能力强于其他冷却液，十分契合单项冷板液冷所需性能。在选择时，冷却液的最佳浓度区间应控制在20%-30%，浓度过高会削弱散热效率，过低则会影响防冻性能及抑菌效果。总的来看，25%的乙二醇/丙二醇水溶液是较为理想的选择。

油基冷却液

矿物油/合成油/合成烃冷却液主要应用于单相浸没式液冷技术

油基冷却液的典型代表有矿物油冷却液与合成油冷却液，主要应用于单相浸没式液冷技术中。矿物油是从石油中提炼出的碳氢化合物，经过精致和添加特定添加剂后，成为一类常见的绝缘冷却液。其核心优势在于价格低廉，且具有环境友好性；但其比热容和导热系数较低，散热能力较差，此外天然矿物油通常含有较多杂质，存在氧化和酸腐蚀的风险。

合成油由人工制造的化合物组成，是矿物油的高性能替代品：其具有比矿物油更高的热分解温度和氧化稳定性，长期运行不易变质，寿命更长，并且其散热能力通常比矿物油更好。但其成本高于矿物油，增加了初始投资成本。

合成烃的制备方法主要是采用化学合成或分子结构调整，再添加添加剂制成，包括α烯烃、气制油等，具有更好的抗氧化性和材料相容性，但其闪点相对较低。

目前矿物油/合成油/合成烃的主要供应商包括统一股份，中国石油，陶氏，壳牌，雪佛龙，埃克森美孚等。

含氟冷却液梳理

氟化液优势显著，是理想的数据中心用冷却液

氟化液一般是指碳氟化合物，是将碳氢化合物中所含的一部分或全部氢替换为氟而得到的一类有机化合物，普 遍具有良好的综合传热性能，可以实现无闪点不可燃。同时由于C-F键能较大，碳氟化合物惰性较强，不易与 其它物质反应，是良好的兼容材料。根据碳氟化合物的组成成分和结构不同，可再分为氯氟烃(CFC)、氢代氯 氟烃(HCFC)、氢氟烃(HFC)、全氟烃(PFC)、氢氟醚(HFE)等种类。

全氟碳化合物是目前更适合用于数据中心液冷系统的冷却液。CFC和HCFC是20世纪广泛被应用的制冷剂。目前 CFC种类已全球淘汰；HFC在20世纪90年代被开发出，用于替代氢氯氟碳（HCFC）和其他破坏臭氧层的物质。部 分HFC（如HFC-365mfc）可被用于溶剂清洗应用，虽然其不破坏臭氧层，但全球变暖潜能值（GWP）较高。现有 常用的全氟碳化合物包括全氟胺、全氟聚醚(PFPE)等类型，在沸点和介电常数方面的特性较为适合半导体设备 冷却场景，但也有温室效应影响；氢氟醚(HFE)的温室效应影响较小，对臭氧层无破坏，但通常具有较高的介 电常数，和印制线路板微带线或连接件直接接触时对信号传输影响较大。

氟化液优势明显，是理想的数据中心用冷却液。氟化液的优点包括：1）具有优异的电绝缘性和热传导性；2） 理想的化学惰性和热稳定性，能广泛使用于各种温控散热场合；3）良好的材料相容性，与绝大多数金属、塑 料和聚合物不反应；4）良好的流动性，能在温控系统中很好的流动散热；5）非危险品不燃不爆，无燃点闪点； 6）无毒无害无刺激性。

冷却液市场空间测算

浸没式冷却液市场空间测算

根据SemiAnalysis，2024年全球AI数据中心新增装机量达7GW，预计2028年AI数据中心新增装机量将达59GW，期间复合增速高达70%。AI大模型训练需要巨大的算力支持，带动AI数据中心新增装机量的规模快速提升，这同时也推动了高性能计算芯片的功耗急剧上升。例如，NVIDIA的GB200 NVL72系统每机架热设计功耗（TDP）达到了130-140 kW，而传统风冷的散热极限约为30-50 kW，液冷成为必然选择。根据TrendForce预计，2025年AI数据中心中液冷的渗透率将从2024年的14%快速增长至33%，2025年将成为液冷需求启动元年。

我们对未来冷却液使用量进行了大致测算，主要基于以下假设：（1）根据TrendForce、赛迪顾问对液冷及浸没式液冷渗透率预测，我们假设2024-2028年新增AI数据中心对应全浸没式液冷渗透率为9%/18%/32%/45%/60%；（2）参考英伟达GB300 NVL72/Rubin NVL144/RubinNVL144CPX/Rubin Ultra NVL576的功率，假设2024-2028年新增AI数据中心采用全浸没式液冷的单机架平均功率分别为50/150/200/300/400kW；采用（3）假设2024-2028年新增传统数据中心对应全浸没式液冷渗透率为0.06%/0.4%/1.5%/2.7%/3%；（4）假设2024-2028年新增传统数据中心采用全浸没式液冷的单机架平均功率为30/50/50/50/50 kW；（5）假设单机架对冷却液的需求为1吨。基于以上假设，我们按照当年新增装机量*浸没式液冷渗透率/当年新增数据中心平均功率*单机架平均用量1吨测算出2024-2028年全球冷却液需求量分别为1.4/2.0/5.0/7.9/10.8万吨。

报告节选：

编辑：火腿肠