从芯片发展看“为什么液冷是必然趋势？” | 清链科技

2023年初以来，液冷概念股持续上涨。**高澜股份股价翻番，高点涨幅高达160%；曙光数创股价居然翻了7倍，涨幅惊人！**数据中心液冷已经从实验室走进了产业界。

《电信运营商液冷技术白皮书》要求2025年液冷渗透率达50%，年均新增液冷市场规模约450亿元。为什么液冷备受追崇，本文将从数据中心发热源头“芯片”来聊聊“为什么液冷是必然趋势？”

1.芯片的发热原理

集成电路经过几十年的发展，高功耗高发热问题一直如影随形。不管是服务器还是个人电脑，无论英特尔还是AMD，抑或是移动的高通、联发科甚至是苹果公司，也不管何种架构、什么工艺，随着芯片集成度越来越高，发热量也越来越大，散热问题一直在提升。其核心原因在于集成电路的运行原理。

数字世界是由二进制的0和1构成。反映在集成电路，就是低电压（0）和高电压（1）。实现这种机制的根本结构，就是晶体管。

晶体管类似一个开关按钮，可以通过控制这个开关来决定输出的电压。上述两种不同的晶体管分别用来产生高电压（1）和低电压（0）。无数个单向进出的开关组合在一起，形成了一个可以处理数学运算的极度微缩的超大型电路。芯片内部的电流流动会产生热量，从而导致芯片发热。

2.传统风冷技术已不能满足更高的散热需求

根据ODCC《冷板式液冷服务器可靠性白皮书》，在摩尔定律变缓的大背景下，芯片算力与其功耗同步出现了大幅提升。到2025年单柜功率将进一步提升至25kW。格劳瑞总工程师王承顺透露，格劳瑞浸没式液冷机柜最高可做到640KW，水冷机柜最高可以做到1500KW。

（1）集成电路集成度大幅提升

根据摩尔定律，芯片内部元件密度每隔18个月翻一番，已由最初的几个发展至数十亿个。芯片内部的元件密集度更加集中、电子运动更加频繁，导致芯片产生更多的热量。同时在高集成度的芯片中，由于元件数量众多且密集，电子元件的开关和计算操作频率较高，因此芯片的功耗也会相应增加，进而产生更多的热量。

（2）新技术对芯片要求指数级增长

英特尔于2023年6月25日透露，AURORA超级计算机总共10624个节点，其中包括基于Sapphire Rapids-SP系列的21248个Xeon CPU和基于Ponte Vecchio设计的63744个GPU，该系统可提供2.12 PB/s的峰值带宽和0.69 PB/s的峰值二分带宽。为了支撑起顶配芯片组合的强悍战力，AURORA R15采用了全新升级的CRYO-TECH™ 超级水冷散热架构，以防多余热量可能带来的不利影响。

（3）服务器工艺加强，整机热量更高

服务器工艺的进步，使得服务器向微型化方向发展，服务器内部器件之间会更加紧凑。这意味着同样数量的元器件聚集在更小的空间内，对散热提出了更高的要求。另一方面，服务器内部组件间的空间缩小会导致散热效率和效果进一步下降，使得服务器局部高温，甚至故障。

（4）风冷技术接近极限

芯片集成度的提升、密度的加大以及服务器工艺水平的进步都会对散热提出更高的要求。传统风冷技术已经接近极限，风扇普遍转速在2000-2500转/分钟左右，风机转速超过4000RPM后对热阻的效用有限。据预测，芯片的平均热流密度将达到500W/cm2，局部热点热流密度将会超过1000W/cm2。

综上，为保证芯片工作的可靠性和稳定性，传统风冷散热技术已难堪重任，发展新型高效的散热技术——液冷，已成为迫切需求。

3.液冷相比传统风冷有很多优势（1）部件级制冷，换热效率高液冷通过使用液体作为热量传输媒介，为发热部件换热，进而带走热量，并非像风冷那样间接通过空气制冷。

（2）冷却液比热容大、热传导效果好液体传导热能效果更好，热传导效率是空气的25倍，温度传递效果更快、更优。同时，由于液体的比热容大，在吸收大量的热量后自身温度不会产生明显变化，故而能够稳定CPU等发热部件的温度。

（3）冷媒直接散热，无需空调系统

数据中心采用液冷技术后，热量通过冷却液带走。不再需要目前风冷数据中心的空调系统。也不需要服务器本身自带的风扇系统。

（4）热能重复利用，节能降耗

液冷数据中心年均PUE值降到1.04以下，目前大部分液冷数据中心PUE值可以达到1.02。同时液冷数据中心产生的热量以液体为载体，可直接通过热交换设备接入建筑物供热系统或供水系统，满足建筑物的供暖、温水供应等需求。余热回收利用之后，PUE值将会进一步下降到1.0以下。不仅大大节省了原有数据中心制冷所需的能源，也为数据中心所有者创造了丰厚的附加经济价值。