全網最全不同液冷冷板解析：數據中心液冷散熱技術分類、架構與應用
發布時間：2026-03-17
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摘要
數字技術的創新迭代與蓬勃發展，推動算力需求持續攀升，數據中心能耗隨之呈指數級增長。在可持續發展、“雙碳”目標、新型數據中心建設等政策指引下，數據中心制冷技術正式邁入液冷發展新階段。本文首先從芯片、設備、機柜散熱需求，以及機房節能訴求等多維度，深入剖析液冷技術落地的必要性與核心優勢；其次針對主流液冷技術方案，從架構原理、核心組件、運行邏輯等方面展開全面拆解，并通過散熱能力、節能效果、維護性、技術成熟度等維度綜合對比，得出短中期內單相冷板式液冷更具應用優勢的結論；最后圍繞可靠性、散熱強化、低成本等方向，探討數據中心液冷技術的未來研究趨勢。
關鍵詞：散熱技術；機房節能；液冷散熱；冷板式液冷；浸沒式液冷
1 液冷技術應用背景
1.1 節能政策強力驅動
數字技術的深度演進，推動云計算、大數據、人工智能、元宇宙等信息技術與實體經濟深度融合，數字經濟實現高質量快速增長。數據中心作為數字經濟基礎設施的核心底座，數據量的爆發式增長帶動其市場規模持續擴容。數據顯示，截至2023年底，我國在用數據中心機架總規模已達810萬標準機架。作為典型的“能耗大戶”，數據中心耗電量持續攀升，總用電量已占全社會用電量的3%。
在此背景下，可持續發展、“碳達峰、碳中和”、新型數據中心建設等政策理念落地，國家及地方政府相繼出臺專項政策，對數據中心電源使用效率（PUE）提出嚴苛要求。2021年7月，工信部印發《新型數據中心發展三年行動計劃（2021—2023年）》，明確到2023年底，新建大型及以上數據中心PUE需降至1.3以下，東數西算樞紐節點及寒冷地區力爭降至1.25以下；2021年11月，發改委發布《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》，進一步要求2025年新建大型、超大型數據中心PUE不高于1.3，國家樞紐節點降至1.25以下；“東數西算”八大樞紐節點更是細化指標，東部地區PUE目標不超過1.25，西部地區不超過1.2，能效管控愈發嚴格。
從數據中心能耗結構來看，制冷系統能耗占比高達24%以上，是輔助能耗中占比最高的部分，因此優化制冷方案成為降低數據中心PUE的核心抓手。近年來，行業持續探索高效制冷技術，間接蒸發冷卻、冷板式液冷、浸沒式液冷等方案相繼落地，其中間接蒸發冷卻技術可將PUE控制在1.25，而液冷技術依托液體高導熱、高傳熱特性，可縮短傳熱路徑、高效利用自然冷源，將數據中心PUE降至1.1以下，節能優勢突出。憑借綠色節能特性，液冷技術也成為國家及地方政策明確鼓勵推廣的核心節能技術。
1.2 高散熱需求倒逼技術升級
算力的持續增長推動通信設備性能不斷升級，市場主流芯片功耗與熱流密度同步攀升，當前CPU散熱設計功耗已達350~500W，AI技術的普及帶動GPU需求激增，其散熱設計功耗已突破800W，芯片功率密度的持續走高，直接制約芯片散熱效率與運行可靠性，也帶動整機柜功率密度大幅提升。
目前，8kW以上單機柜功率密度已成為新建數據中心的主流配置，行業也通過改造升級持續提升單柜功率，通算場景最大功率密度超30kW/柜，智算場景功率增長更為迅猛，已達100kW/柜，整機柜功率密度的提升，對機房制冷技術提出了更高要求。傳統風冷系統受建筑面積、運營成本等因素限制，散熱上限僅為20kW/柜，已難以適配高密度算力散熱需求。而液冷技術以液體替代空氣作為冷卻介質，通過直接或間接接觸發熱器件實現換熱，散熱效率大幅提升，可有效滿足芯片、單機柜、機房全場景的高散熱需求。
2 液冷技術分類及架構詳解
根據冷卻液與發熱器件是否直接接觸，液冷技術可分為直接接觸式和間接接觸式兩大類：直接接觸式包含單相浸沒式、兩相浸沒式、噴淋式液冷，冷卻液直接與發熱器件接觸換熱；間接接觸式包含單相冷板式、兩相冷板式液冷，冷卻液通過散熱器間接傳遞熱量。
液冷系統具備通用架構，主要分為室外側與室內側兩部分：室外側涵蓋室外冷源、一次側冷卻液；室內側包含冷量分配單元（CDU）、二次側冷卻液及液冷機柜。其核心運行原理為：二次側冷卻液在機柜內吸收設備熱量，經CDU內換熱器將熱量傳遞至一次側冷卻液，一次側冷卻液再通過室外冷源將熱量釋放至大氣，完成完整散熱循環。
其中，室外冷源可選用開式/閉式冷卻塔、干式冷卻器，需結合場地、氣象、水電條件綜合選型；一次側冷卻液多采用去離子水、乙二醇/丙二醇水溶液，搭配緩蝕、殺菌、阻垢藥劑使用，選型需兼顧熱物性、地域氣候等因素；CDU分為集中式與分布式，集中式布置于機柜外，為多機柜供冷，便于集中管控，分布式集成于機柜內，單機柜對應單CDU，功耗匹配度更高。二次側冷卻液、液冷機柜及內部設備則隨技術路線不同有所差異，具體分類技術詳解如下。
2.1 單相冷板式液冷
單相冷板式液冷是當前成熟度最高、應用最廣泛的液冷方案，通過液冷板將發熱器件熱量間接傳遞給冷卻液，二次側冷卻液在吸熱、放熱過程中不發生相變。根據液冷板覆蓋范圍，可分為局部液冷與全液冷：局部液冷僅覆蓋高功耗器件，帶走約70%的設備熱量，剩余熱量需依托機房空調、液冷背門風冷散熱；全液冷則針對設備硬件架構定制液冷板，覆蓋全部發熱器件，散熱效率更高。
該系統核心組件及要求如下：一是二次側冷卻液，以去離子水、乙二醇/丙二醇水溶液為主，需定期檢測PH值、濁度、殘留物等指標，符合行業標準；二是單相冷板CDU，分集中式、分布式，集中式需部署管網并優化流量分配，分布式免管網部署，適配機柜功耗靈活調整；三是分液器，負責機柜內冷卻液分配與收集，需保障流量均勻，兼顧機柜空間、承重要求；四是液冷板，需結合芯片功耗、布局定制設計，兼顧通用性與散熱性能，同時滿足功耗、壓力、流速等指標；五是流體連接器，實現無泄漏通斷，需適配流量、溫度、壓力、安裝方式等參數；六是液冷管路，需兼顧材料兼容性、流速、管路布局、流量分配；七是漏液檢測傳感器，布置于易泄漏點位，可選用檢測線、光電式、電極式等類型，及時預警漏液風險。
該技術對通信設備、機房基礎設施改動小，行業技術積累深厚，是適配高熱流密度散熱、提升數據中心能效、降低TCO的優選方案。
2.2 兩相冷板式液冷
兩相冷板式液冷系統架構與單相方案相近，核心差異在于二次側冷卻液在設備內吸熱汽化，在CDU內冷凝液化，充分利用相變潛熱散熱，散熱能力可達300W/cm²以上，適配超高熱流密度場景。但因冷卻液相變，系統運行壓力高于單相方案，核心組件需滿足高壓適配要求。
其核心組件特性：二次側冷卻液選用制冷劑、氟化液等低沸點工質，兼顧熱物性、環保性、安全性、材料兼容性；CDU采用溫控型壓力控制方案，補液系統需考量工質充注量對壓力的影響；液冷板需強化承壓能力，通過表面微處理、多孔介質填充等方式提升散熱性能；流體連接器優選螺紋旋擰式，適配高壓插拔與維護；液冷管路優先選用金屬軟管、汽車空調橡膠管，降低泄漏風險。該技術散熱優勢顯著，但目前成熟度較低，產業鏈有待完善。
2.3 單相浸沒式液冷
單相浸沒式液冷將發熱元件完全浸沒于冷卻液中，直接吸收設備熱量，二次側冷卻液全程保持液相，分為臥式與立式兩種架構。臥式浸沒機柜（TANK）為當前主流，尺寸覆蓋12U~54U，底部配置均流板保障流量均衡，上蓋具備高密封性，減少冷卻液耗散，維護時需開蓋吊裝設備，復雜度較高；立式浸沒機柜架構接近冷板式，設備實現板級密封，兼顧浸沒式的節能優勢與冷板式的維護便利性。
該技術核心組件：二次側冷卻液選用高沸點、高絕緣、低黏度的氟碳化合物、礦物油、合成油等，保障材料兼容性；CDU適配半開式系統，對循環泵、過濾、冷卻液監控要求更高。單相浸沒式液冷可實現100%無風扇冷卻，機房節能、靜音效果極佳，但需對設備材料、器件重新選型做兼容性測試，且冷卻液熱物性較差、流速低，散熱能力受限，一定程度上制約了規?；茝V。
2.4 兩相浸沒式液冷
兩相浸沒式液冷依托冷卻液相變潛熱散熱，二次側冷卻液吸熱汽化、冷凝液化循環往復，散熱能力遠優于單相浸沒式，同樣分為臥式與立式架構，現階段以立式為主要研究方向。臥式架構中，冷卻液在腔體底部吸熱汽化，蒸汽在頂部冷凝器冷凝回流；立式架構將單設備作為獨立浸沒腔體，規避冷卻液運維耗散問題，兼容性與維護性更優。
其核心組件：二次側冷卻液選用低沸點氟碳類工質，兼顧熱性能、環保性、密封性；密封殼體實現設備全密封，優化電、網、液接口密封設計；兩相沸騰散熱器通過界面材料貼合芯片，采用多孔介質方案強化換熱。該技術兼具高節能、高散熱優勢，可適配高功率芯片散熱，但目前仍處于試點階段，密封可靠性、系統穩定性有待持續優化。
2.5 噴淋式液冷
噴淋式液冷屬于直接接觸式液冷，二次側冷卻液從機柜頂部噴淋而下，精準覆蓋發熱器件，通過對流換熱實現散熱。該技術需對機柜、設備做特殊化設計，設備上蓋集成噴淋腔體與噴淋孔，根據器件功耗、布局調整噴淋參數；機柜具備密封性，減少冷卻液飄逸損耗；底部設置儲液箱，收集吸熱后冷卻液與泄漏液體，提升系統穩定性。
二次側冷卻液采用油基、氟碳類不導電液體，換熱過程無相變。噴淋式液冷可實現100%液冷，PUE優于單相冷板式，散熱能力略高于傳統單相浸沒式，是兼顧冷板式節能性與浸沒式散熱性的折中方案，適配特定高密度散熱場景。
2.6 液冷技術綜合對比
算力持續攀升帶動液冷市場需求增長，多條技術路線并行發展，各方案適配場景、優劣勢差異顯著。其中，單相冷板式液冷應用占比超90%，是現階段及未來短中期的主流方案；單相浸沒式液冷技術逐步成熟，小規模商用持續推進；噴淋式、兩相冷板式、兩相浸沒式液冷仍處于技術完善、生態構建階段，規模化應用尚需時日。
3 數據中心液冷技術發展展望
當前液冷技術處于快速發展期，規模化應用過程中的痛點逐步顯現：冷板式液冷存在水基工質泄漏短路風險；單相浸沒式液冷流速低、散熱能力不足，難以適配高端CPU/GPU；液冷系統冷量調控滯后，節能收益未最大化；初期建設成本偏高等，這些問題均制約著液冷技術的普及。為此，行業圍繞多維度開展技術攻關，推動液冷技術迭代升級。
3.1 非水冷板式液冷
針對傳統單相冷板式液冷水基工質泄漏導電、腐蝕等問題，中興通訊創新性提出非水冷板式液冷方案，將二次側冷卻液替換為氟碳類、油基不導電液體，從介質根源規避泄漏導電風險，同時保留冷板式液冷的高散熱優勢。該方案配合機械防泄漏結構，實現多維度泄漏防護，且大分子冷卻液能大幅降低微生物腐蝕風險。
工質更換后，系統需同步優化：重新開展材料與冷卻液兼容性測試；改進CDU補液裝置，避免雜質、水分進入系統引發水解腐蝕；更換漏液檢測方式，采用光電式、電容式、吸氣式檢漏儀器，適配非水工質特性。
3.2 全液冷冷板
傳統冷板式液冷僅覆蓋核心高功耗芯片，液冷散熱占比60%~80%，節能收益有限。全液冷冷板技術針對設備內所有發熱器件定制散熱方案，覆蓋CPU、內存、硬盤、電源等，95%以上熱量通過液冷板帶走，剩余少量熱量通過風液換熱器散熱，實現100%全液冷，PUE可低至1.1，大幅降低機房運營成本。
該技術液冷部件多、系統復雜度高，對運維人員專業性要求高，內存、硬盤等可插拔部件的可靠性有待提升，但長期來看，其高效節能、高散熱的優勢，將助力其在數據中心領域實現更廣泛的應用。
3.3 單相浸沒強化散熱
針對單相浸沒式液冷流速低、散熱能力受限的痛點，行業從主動驅動、架構優化、冷卻液改良三方面強化散熱：引入封閉風機、微泵等主動部件，提升芯片局部冷卻液流速與湍流程度，強化換熱效率；優化系統架構，采用雙回路設計，適配高功耗器件散熱需求，單節點散熱能力可達2000W+；研發納米流體冷卻液，借助納米顆粒高導熱特性提升換熱性能，但目前納米流體存在穩定性差、制備難、成本高的問題，仍需持續優化。
3.4 液冷智能溫控技術
液冷系統耦合性強、控制點位復雜，傳統調控模式易造成冷量浪費，節能效果受限。行業提出“數據+機理”雙驅AI溫控技術，將AI算法與暖通熱力學模型結合，構建融合型熱力學模型，既規避純數據模型的成本高、依賴性強、反邏輯控制等問題，又彌補機理模型的建模短板。
該技術依托DCIM系統，整合影響液冷系統運行的各類因素，構建數字孿生預測模型，實現全工況精準調控，既能最大化節能收益，又能提前預判極端場景風險，提升運維效率與系統運行可靠性。
3.5 低成本液冷系統
初期投資成本高是制約液冷規?；茝V的核心因素，中興通訊研發低成本液冷系統，通過新材料、新工藝應用，實現液冷數據中心綜合投資成本降低15%以上。核心舉措包括：將液冷板散熱底板由銅材換為鋁合金，非散熱面采用高分子材料注塑成型，取消焊接工藝改用膠圈密封，降低材料與加工成本；將管網、分液器、連接器等部件替換為高分子工程材料，一體式注塑成型，兼顧可靠性與經濟性。
3.6 芯片級液冷
芯片制程持續精進，2.5D/3D封裝、異構芯片普及，芯片內熱阻占比不斷提升，傳統外部液冷方案難以適配超高功率密度散熱需求，芯片級液冷成為未來核心研究方向。該技術將微米級流道刻蝕于芯片內部，液體工質直接從芯片內部換熱，大幅降低芯片內熱阻與界面熱阻，解決多Die堆疊散熱難題，散熱能力可達300W/cm²以上。
芯片級液冷分為分體式與一體式，目前國內外高校、科研機構、芯片廠商已開展相關研究，但技術成熟度較低，暫無商用案例，未來隨著技術突破，將成為解決超高功耗芯片散熱的核心方案。
4 結束語
在數字經濟發展與“雙碳”目標的雙重驅動下，芯片熱流密度攀升、能耗管控趨嚴，成為數據中心制冷技術迭代的核心動力。液冷技術憑借低能耗、高散熱、低噪聲、低TCO等核心優勢，成為破解高密度算力散熱難題、打造綠色低碳數據中心的關鍵技術，未來隨著產業鏈完善、技術持續升級，將全面主導數據中心制冷市場，助力數字基礎設施高質量發展。
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