高密度液冷数据中心端到端液冷散热系统分层设计与能效研究

人工智能大模型训练、5G通信规模化部署、数字支付与智慧民生应用的全面普及，持续驱动全社会算力需求指数级增长，作为算力核心载体的数据中心，其能耗规模也随之快速攀升。公开统计数据显示，2015年我国大型数据中心总耗电量约为1000亿千瓦时，至2020年已突破2000亿千瓦时，五年间实现翻倍增长，相当于两个三峡电站的年发电量总和，约占同期全社会总用电量的2.7%，数据中心已成为国家重点监管的高能耗行业。

2021年10月18日，国家发展改革委正式印发《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》，明确提出推动重点工业领域节能降碳与绿色转型，遏制“两高”项目盲目发展，为碳达峰目标落地提供支撑。其中针对数据中心行业划定了明确的能效提升时间表：到2025年，达到标杆水平的数据中心产能占比需超过30%；到2030年，全行业整体能效水平与碳排放强度需达到国际先进水平。

从数据中心能耗构成来看，IT设备、散热系统、供电系统是三大核心能耗模块，其中IT设备能耗占总能耗的50%，散热系统能耗占比高达37%。由于IT设备的算力功耗属于刚性基础能耗，短期内难以实现大幅降低，因此散热系统的能效优化与高效运行，成为当前数据中心节能降碳最具潜力的核心突破方向。

1 数据中心散热系统的运行逻辑与优化空间

IT设备运行过程中消耗的电能绝大多数会转化为废热，为保障设备长期稳定运行在厂商规定的温湿度区间，数据中心必须搭建由冷水机组、冷却塔、精密空调等设备组成的完整制冷散热体系，将机房内的废热持续排出至室外环境，完整热量传递链路如图1所示。在这套传统体系中，冷水机组、冷却塔、循环水泵与精密空调是能耗管控的四大核心对象。

从传热介质的物理特性来看，空气的定压比热容仅为1.004kJ/(Kg·K)，而水的比热容高达4200kJ/(Kg·K)，水的单位质量带热能力约为空气的1000倍，采用水作为传热介质是提升散热系统能效的天然最优路径。为了进一步降低制冷环节的能耗，行业内已经形成了清晰的技术迭代路径：在热量采集侧，通过高效散热器、精确送风等手段减少热源侧的热阻；在末端制冷侧，从传统房间级制冷逐步演进到模块化机房、机架级制冷，让冷源更贴近热源，大幅降低冷媒长距离输送的能耗损耗；在冷源制备侧，从传统风冷模式逐步转向水冷模式，并大规模引入自然冷却技术，提升室外环境冷量的利用效率。

但传统散热系统普遍存在子系统独立运行的问题：精密空调、冷水机组、冷却塔各自拥有独立的控制系统与运行策略，单体设备的运行效率已经优化至接近理论极限，但全链路的协同调度缺失，导致整体散热效率仍存在显著的提升空间。想要系统性突破能效瓶颈，必须打破各子系统的信息孤岛，从热量采集、冷源制备到室外排热的全链路进行端到端协同管理与精细化控制，才能从整体层面实现散热系统功耗的大幅下降。

2 端到端液冷散热系统的分层设计方案

液冷散热系统的设计遵循“从芯片热源到室外排热”的全链路优化逻辑，分为板级、机架级、机房级三个层级逐层落地，实现热量的高效传递与能耗的精准管控。

2.1 板级液冷散热设计

随着算力需求的爆发，现代CPU与GPU的集成度与单芯片功耗呈指数级增长，当前主流AI加速芯片的单颗功耗已经攀升至300W，传统风冷散热方案的换热能力已经触及物理瓶颈。芯片作为整个数据中心的热量源头，如何高效将芯片内部的废热导出，是液冷散热系统需要解决的首要问题。

从散热路径来看，芯片产生的热量需要先从核心区域传导至板级散热器，高性能的散热器方案能从源头大幅降低热阻，提升热量采集效率。针对不同功率等级的IT设备，可采用差异化的散热方案：对于单芯片功耗低于200W、单机架总功耗小于20kW的场景，仍可采用空气作为传热介质，通过热管散热器、均热板（VC）搭配高导热TIM材料（如石墨片、石墨烯导热垫），有效降低芯片与散热器基板之间的扩散热阻，在控制成本的前提下提升风冷散热效率。

对于单芯片功耗超过200W、单机架总功耗大于20kW的高热密度场景，空气的带热能力已经无法满足散热需求，必须采用液体工质进行换热，其中冷板式液冷是目前技术成熟度最高、商用落地最广泛的板级散热方案。液冷冷板由进液接头、出液接头、上盖板与底板组成，上盖板与底板通过真空钎焊工艺实现高强度密封连接，内部形成封闭的液体换热腔体；腔体内部根据芯片的布局与热流密度设计分液腔与不同宽度的导流沟槽，通过节流控制增强液体扰流，针对性提升高功率热点区域的散热能力，彻底解决高热密度芯片的局部热点瓶颈，冷板内部剖面结构如图2所示。

由于同一机架内不同单板的功率分布与热点位置存在差异，但机架供液管路在进液端的压力基本保持一致，因此需要通过冷板内部的分液腔实现精准节流控制：针对低功耗单板自动降低工质流量，在保障散热效果的前提下减少不必要的水泵功耗。当前主流的冷板设计通常覆盖CPU、内存等高功率器件，但电阻、电容等低功耗小器件仍未纳入液冷覆盖范围，这部分余热仍需通过辅助风扇排出，形成“液冷+风冷”的混合散热模式，仍存在进一步的能效提升空间。理论上通过TIM材料实现冷板与所有器件的全覆盖搭接，可以达成100%全液冷散热，但会同步提升冷板的设计复杂度与制造成本。在实际项目中，需要在节能收益与初始投入之间寻找平衡：如果数据中心部署的服务器单板型号高度统一，可采用全覆盖冷板设计，通过规模化部署摊薄成本，实现节能降碳与投入产出的最优平衡。

冷板式液冷属于间接液冷方案，芯片与液态工质不直接接触，系统可靠性高、技术成熟，目前普遍采用去离子水作为工质，其高比热容特性可以快速带走热量，同时无腐蚀性，对管路与器件的长期运行可靠性无负面影响。但由于芯片与液态工质之间仍存在固体导热热阻，浸没式液冷方案正在成为行业新的探索方向：将整台IT设备完全浸没在绝缘换热液体中，芯片与工质直接接触，彻底消除接触热阻，还可利用工质相变过程带走更多热量。不过当前浸没式液冷主流使用的氟化液工质成本仍处于较高水平，是制约其大规模商用落地的核心障碍。

2.2 机架级液冷散热设计

数据中心的IT设备以机架为基本单位进行集中部署，服务器、存储设备、网络交换机等所有算力硬件都集成在标准机架内部。板级液冷完成了单台设备的热量采集，机架级液冷则负责将整机架的热量高效汇集，稳定传递至机房级主循环管路。机架级液冷系统的核心组成包括进出水集管（Manifold）、监控单元、温度传感器、电磁阀与单向阀等部件，整体配置架构如图3所示。

进出水集管对外连接机房级液冷分配单元（CDU）的主供回水管路，对内通过快速插拔接头与每台服务器液冷冷板的进、出液接头相连，将整机架所有设备的热量统一汇集后传递至机架外侧的主循环回路。电磁阀与单向阀的核心作用是实现故障隔离，当机架内部出现漏液故障时，可快速切断本机架的供液回路，将故障影响范围严格限制在单个机架内部，避免扩散至整个机房的液冷管网。温度传感器实时采集机架总进、出水温度，通过进出水温差动态调节电磁阀的开度，实现供液流量的动态精准控制，让供液流量与机架实时热负荷完全匹配，避免“大流量小负荷”造成的水泵功耗浪费。

液冷系统普遍采用去离子水作为工质，理论上不会引发电路板短路，但实际运行中电路板表面往往附着灰尘与杂质，一旦去离子水泄漏接触电路板，杂质会迅速溶解形成导电通路引发短路，这也是液冷技术大规模落地过程中用户最核心的顾虑。针对漏液风险，需要从全流程构建三级防护体系：第一级是源头质量管控，在生产环节对所有冷板进行100%保压测试，通过超声波探伤抽检排查内部焊接缺陷，对快速插拔接头进行全生命周期插拔可靠性与密封性能验证；在安装环节对二次管路进行全程冲洗，彻底清除内部残留的杂质颗粒，避免杂质造成快接头弹簧卡顿、密封圈失效等隐性故障，从源头尽可能杜绝漏液发生。第二级是微量泄漏实时告警，传统方案通过机架底部积水盘内的水浸传感器检测漏液，但这种方案必须等待泄漏液体汇集到积水盘才能触发告警，此时泄漏的液体已经在机架内部流动，很可能已经造成单板损坏。优化后的方案采用示踪气体检测，在液冷工质中混入低沸点示踪物质，一旦发生微量泄漏，单板内置的气体传感器可在第一时间感知并触发告警，在液体接触电路板前就发现隐患。第三级是突发大量泄漏的应急防护，在机架集管的进出水口位置加装压差触发式单向阀，当管路出现突发大量泄漏导致两侧压力差骤变时，阀门可自动快速关闭，切断供液回路，将泄漏量控制在最低水平。

2.3 机房级液冷散热设计

机房级液冷散热的核心目标，是将所有机架汇集的热量高效传递至室外环境。完整的机房级液冷系统由液冷模块化机房、冷水机组、循环水泵、冷却塔与主供回水管路组成，整体架构如图4所示。

常规的液冷模块化机房内部配置2台1+1冗余备份的液冷分配单元（CDU）、10-20个IT液冷机架、1-2台行级辅助空调，以及配套的供配电系统。液冷分配单元CDU是机房级液冷系统的核心枢纽，承担IT机架侧的工质流量分配、压力控制、冷热回路物理隔离、防凝露保护等核心功能。运行过程中，CDU将稳定流量、稳定温度的冷却水输送至IT机架的集管，再通过快接头进入每台服务器的液冷冷板，带走芯片产生的热量后，升温的回水回流至CDU内部的中间换热单元，通过板式换热器将热量传递至室外侧的主循环管路，最终通过冷水机组或干冷器将热量排放至室外环境，完成整个液冷散热的闭环循环。

CDU通过调节送入液冷机架的工质温度与流量，实现冷量的动态分配，同时内部的换热单元实现了机房内IT侧回路与室外主回路的物理隔离，避免室外侧管路的杂质、压力波动影响内部IT设备的运行稳定性。由于CDU在系统中的核心地位，行业普遍采用1+1冗余配置，避免单台CDU故障导致整个液冷模块停机。传统CDU的流量控制大多仅基于供回水温度与供液压力，未与机架内部的实时温度、设备功耗数据联动，控制策略相对粗放。针对这一痛点，行业衍生出两种部署模式：集中式CDU适合液冷机架数量较多、可整合成大型模块化机房的场景，通过集中调度实现更高的系统能效；分布式CDU则将小型CDU直接内置到机架内部，流量调节可完全跟随机架内的业务负载波动动态调整，更适合仅部署2-3个液冷机架的小规模场景，部署灵活性更强。

3 结语

在双碳目标的牵引下，现代数据中心承担着双重核心使命：一方面通过集约化、规模化的算力部署，为数字经济提供充足的高性能算力供给，支撑AI大模型训练、超算仿真等各类高算力业务；另一方面必须通过散热技术的创新突破，抵消高密度算力带来的能耗增长压力，实现自身的绿色低碳运行。液冷散热技术的大规模落地，完美破解了传统风冷散热无法适配高热密度AI集群的瓶颈，可将数据中心散热系统的能耗占比从传统的37%大幅降低至10%左右，节能减碳效果极其显著。经行业测算，如果全国50%的新建数据中心采用液冷散热方案建设，每年可节省超过450亿度电能，同步实现300万吨以上的二氧化碳减排，为数据中心行业实现2030年能效国际领先的目标提供核心技术支撑。