数据中心液冷散热技术全景：架构原理、部件选型与落地对比

数字技术的持续创新推动算力需求爆发式增长，数据中心能耗呈指数级攀升。在可持续发展、"双碳"目标与新型数据中心建设的多重政策指引下，数据中心制冷体系正式进入液冷主导的新阶段。本文从芯片、设备、机柜的高散热刚需与机房节能诉求出发，系统论证液冷技术的核心价值，对不同液冷技术路线的架构原理、关键部件进行深度拆解，通过散热能力、节能效果、维护便捷性与技术成熟度的多维度综合对比，明确短中期内单相冷板式液冷的市场主导地位，并进一步探讨液冷技术在安全可靠性强化、散热性能升级、建设成本优化等方向的前沿研究趋势。

关键词：散热技术；机房节能；液冷散热；冷板式液冷；浸没式液冷

1 应用背景

1.1 节能政策驱动

云计算、大数据、AI等数字技术与实体经济深度融合，数字经济规模持续扩张，数据中心作为数字经济的核心底座，市场规模快速增长。截至2023年底，中国在用数据中心机架总规模已达810万标准机架，总用电量占全社会用电量的3%，"能耗大户"的特征日益凸显。在此背景下，国家与地方相继出台政策，对数据中心PUE提出严格要求：工信部《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》明确，2023年底新建大型及以上数据中心PUE需降至1.3以下，东数西算枢纽节点力争达到1.25以下；发改委相关方案进一步提出，2025年新建大型、超大型数据中心PUE降至1.3以下，国家枢纽节点不超过1.25，东数西算八大枢纽中东部地区PUE不超过1.25、西部地区不超过1.2，能效指标持续收紧。

在典型数据中心能耗结构中，制冷系统占比超过24%，是占比最高的辅助能耗环节，降低PUE的核心突破口便在于高效制冷方案的迭代。从间接蒸发冷却到各类液冷技术，行业不断探索节能路径，其中液冷技术凭借液体的高导热特性，大幅缩短传热路径、最大化利用自然冷源，可将数据中心PUE压低至1.1，成为政策明确鼓励推广的核心节能技术。

1.2 高散热诉求

算力的持续升级推动芯片性能不断突破，主流CPU散热设计功耗已达350~500W，AI场景下GPU功耗更是突破800W，芯片热流密度的快速攀升直接制约设备可靠性。芯片层面的功耗增长，进一步带动机柜功率密度持续提升，8kW以上单机柜已成为新建数据中心的主流配置，通算场景下机柜最大功率密度已超30kW，智算场景更是达到100kW/柜。传统风冷系统的散热上限普遍为20kW/柜，在算力密度持续提升的趋势下已难以为继，液冷技术以液体替代空气作为冷却介质，直接或间接接触发热器件，实现散热效率的量级提升，精准覆盖芯片、整机柜到机房的全层级高散热需求。

2 液冷技术分类

根据冷却液是否与发热器件直接接触，液冷技术可分为直接接触式与间接接触式两大类别：前者包括单相浸没式、两相浸没式、喷淋式液冷，后者则以单相冷板式、两相冷板式液冷为代表。

液冷系统的通用架构可分为室外侧与室内侧两部分：室外侧由室外冷源与一次侧冷却液组成，室内侧包含冷量分配单元（CDU）、二次侧冷却液与液冷机柜。其运行逻辑为：二次侧冷却液在机柜内吸收设备热量，通过CDU内的换热器将热量传递给一次侧冷却液，最终由室外冷源将热量排放至大气，完成完整散热循环。其中室外冷源可根据场地、气象、水电条件选择开式/闭式冷却塔、干式冷却器等；一次侧冷却液多采用去离子水、乙二醇或丙二醇水溶液，配合缓蚀、杀菌、阻垢药剂使用；CDU分为集中式与分布式两类，集中式CDU部署在机柜外为多台机柜供冷，便于集中管理，分布式CDU内置在机柜内，可灵活匹配机柜功耗。

2.1 单相冷板式液冷

单相冷板式液冷通过液冷板将发热器件的热量间接传递给二次侧冷却液，冷却液在吸热与放热过程中不发生相变。根据液冷板覆盖范围，可分为局部液冷与全液冷：局部液冷仅覆盖高功耗器件，带走设备70%左右的热量，剩余30%热量仍需通过机房空调或液冷背门以风冷方式排出；全液冷则根据通信设备的硬件架构定制液冷板，覆盖全部发热器件。

该系统的核心部件包括：以去离子水、乙二醇水溶液为主的二次侧冷却液，需定期检测PH值、浊度与微生物指标；适配集中或分布式部署的单相冷板CDU；实现机柜内流量均匀分配的分液器；针对芯片功耗定制设计的液冷板；支持无泄漏通断的流体连接器；负责二次侧冷却液流通的专用管路；以及沿液冷路径布置的漏液检测传感器，可及时发现泄漏并触发告警。

单相冷板式液冷对通信设备与机房基础设施的改动极小，行业已积累多年落地经验，技术成熟度最高，是当前满足高热流密度芯片散热需求、降低数据中心TCO的主流高效方案。

2.2 两相冷板式液冷

两相冷板式液冷的系统架构与单相冷板式液冷相近，核心差异在于二次侧冷却液在液冷板中吸热发生汽化，在CDU中冷凝为液态，充分利用相变潜热实现散热，综合散热能力可达300W/cm²以上。由于运行过程中存在相变，系统整体压力高于单相冷板液冷，对部件承压能力提出更高要求。

其核心部件中，二次侧冷却液以制冷剂、氟化液等低沸点工质为主，选型需兼顾热物性、环保性与材料兼容性；两相冷板CDU采用温控型压力控制方案，适配高压系统的运行需求；两相液冷板通过表面微处理、多孔介质填充等设计增加汽化核心，强化换热效果；流体连接器多采用螺纹旋拧结构，满足高压下的带压维护需求；液冷管路优先选用金属软管或汽车空调橡胶管，防范气相工质泄漏风险。

两相冷板式液冷的核心优势是可支撑超高热流密度散热，但目前整体技术成熟度较低，相关产业链仍有待完善。

2.3 单相浸没式液冷

单相浸没式液冷将发热元件完全浸没在冷却液中，直接吸收设备产生的热量，循环过程中冷却液始终保持液相。卧式浸没架构下，通信设备竖插在浸没机柜内，低温冷却液从机柜底部流入，经均流板分液后接触设备完成换热。

其核心部件包括高沸点、高绝缘的二次侧冷却液，以氟碳化合物、矿物油或合成油为主；覆盖12U~54U规格的浸没机柜，底部配置均流板保障流量均衡，同时具备良好的密封性能减少冷却液挥发；适配半开式运行场景的单相浸没CDU，对循环泵、过滤与冷却液监控能力要求更高。

单相浸没式液冷可实现100%液体冷却，无需配置风扇，机房极致节能且运行静音。但该方案要求所有器件重新开展材料兼容性测试，且不导电液体热物性有限，整体散热能力偏低，一定程度上制约了推广。为改善传统卧式浸没维护复杂、开盖易挥发的问题，行业逐步演进出立式浸没架构，通信设备实现板级密封，兼具冷板式液冷的维护便利性与浸没式液冷的节能优势。

2.4 两相浸没式液冷

两相浸没式液冷的二次侧冷却液在吸热后由液态转化为气态，通过顶部冷凝器冷凝后在重力作用下回流，充分利用相变潜热大幅提升散热能力。卧式两相浸没架构中，机柜内部分为底部液态区与顶部气态区，气态冷却液接触冷凝器完成冷凝后自然回流；立式两相浸没则将每个设备节点设计为独立密封腔体，有效规避相变冷却液的运维耗散问题，架构兼容性与维护便捷性更优，是当前行业的主要研究方向。

其核心部件包括低沸点氟碳类二次侧冷却液；集成电、网、液多接口密封设计的设备密封壳体；采用多孔介质结构强化换热的两相沸腾散热器。两相浸没液冷同时具备高节能与高散热优势，可支撑高功率芯片的极致散热需求，但目前仍处于试点研究阶段，密封可靠性与系统控制稳定性仍需持续优化。

2.5 喷淋式液冷

喷淋式液冷属于直接接触式液冷，二次侧冷却液从服务器顶部进入，通过喷淋板精准喷淋在发热器件表面，直接接触完成对流换热。其核心部件包括油基或氟碳类不导电二次侧冷却液；集成喷淋腔体与定制喷淋孔的液冷设备，可根据器件功耗调整喷淋参数；具备高密封性的液冷机柜，减少冷却液飘逸损耗；布置在机柜底部的储液箱，可收集换热后的冷却液与意外泄漏液体，提升系统稳定性。

喷淋式液冷可实现100%液冷，PUE表现优于单相冷板液冷，同时精准喷淋的设计提升了芯片局部的液体流速，散热能力略高于传统单相浸没液冷，是兼顾冷板式液冷散热优势与浸没式液冷节能优势的折中方案。

2.6 液冷技术综合对比

当前液冷市场需求持续增长，多条技术路线并行发展适配不同场景，其中单相冷板式液冷在数据中心的应用占比超过90%，是现阶段及未来一段时间的主流技术方案。单相浸没式液冷的节能优势突出，技术逐步成熟，产业链快速完善，小规模商用正持续推进；喷淋式、两相冷板式、两相浸没式液冷的技术研究与产业生态仍在建设过程中，落地应用尚需时间。

3 液冷技术展望

液冷技术正处于规模化落地的快速发展期，实际应用中仍存在诸多待解问题：冷板式液冷水基工质泄漏易导致设备短路、单相浸没液冷散热能力难以适配更高功耗芯片、液冷系统制冷量无法随负载动态调控导致节能收益打折扣、初期建设成本偏高等，这些因素共同制约着液冷的大规模普及。行业正围绕可靠性、散热强化、成本优化等方向持续探索，推动液冷技术进一步迭代。

3.1 非水冷板式液冷

传统单相冷板式液冷采用水基工质作为二次侧冷却液，存在腐蚀与泄漏导电的可靠性风险。非水冷板式液冷将二次侧冷却液替换为氟碳类或油基不导电液体，从工质根源上消除泄漏导电隐患，配合机械防泄漏结构实现多维度防护，同时大分子非水工质可大幅降低微生物腐蚀风险。

该技术落地过程中需针对性优化系统设计：重新开展材料与非水工质的兼容性测试，保障长期运行可靠性；改进CDU补液装置，避免空气中的水分与杂质进入系统引发工质水解腐蚀；将传统导电型漏液传感器替换为光电式、电容式或浮子式检测设备，针对氟碳类工质额外配套吸气式漏氟检测仪器。

3.2 全液冷冷板

传统冷板式液冷通常仅覆盖CPU、GPU等高功耗芯片，整机柜液冷占比仅为60%~80%，节能收益未充分释放。全液冷冷板技术通过液冷板覆盖CPU、内存、硬盘、电源等全部发热器件，95%以上的热量通过液冷系统带走，剩余5%热量通过设备内风液换热器排出，实现100%液冷覆盖，PUE可低至1.1，大幅降低数据中心运营成本。目前该技术仍在持续优化，重点提升内存、硬盘等可插拔部件的应用可靠性，未来凭借极致的散热与节能优势，将在数据中心领域获得更广泛的应用。

3.3 单相浸没强化散热

单相浸没液冷天然存在液体流速低的短板，散热能力难以适配智算场景下的高功耗芯片需求。行业正从多个维度推进散热强化：通过在芯片局部区域加装封闭风机、微泵等外部驱动部件，提升冷却液流速与湍流程度，强化换热效率，已有合作方案可实现单节点散热能力2000W+，CPU散热能力突破550W；调整系统架构采用双回路设计，针对高功耗器件适配重力驱动强化散热模式；探索纳米流体等新型冷却液，借助纳米颗粒的高导热特性提升工质整体换热性能，目前纳米流体仍需解决稳定性差、制备成本高的落地难题。

3.4 液冷智能温控技术

液冷系统耦合性强、控制点位多，传统群控模式无法随业务负载动态调控，易造成冷量浪费。基于"数据+机理"的双驱AI温控技术，将深度学习与传统暖通热力学模型深度融合，构建白箱机理模型与数据驱动模型互补的热力学系统，摆脱纯数据训练的强依赖，避免反逻辑控制，在极端工况下仍能保持高可靠性。该技术可接入DCIM系统实现全参数监管，结合数字孪生可视化平台构建预测模型，在提升节能效果的同时，提前预判极端风险场景，大幅提升运维响应效率与系统运行稳定性。

3.5 低成本液冷系统

液冷系统初期投资高于传统风冷，是制约其规模推广的核心因素之一。通过引入高可靠低成本材料与优化工艺，可实现液冷数据中心综合投资成本降低15%以上：将铜质冷板散热底板替换为铝材，非散热接触面采用高分子材料注塑成型，取消焊接工艺改用胶圈密封，降低冷板制造成本；将传统不锈钢管网、分液器、流体连接器替换为经过兼容性验证的高分子工程材料，采用一体式注塑成型工艺，进一步压缩物料与加工成本。

3.6 芯片级液冷

随着芯片制程向更小尺寸演进，2.5D/3D异构封装快速普及，芯片内热阻占比持续攀升，传统外部液冷方案将难以满足超高热流密度芯片的散热需求。芯片级液冷将微米级微流道直接刻蚀在芯片内部，冷却液直接从热源核心带走热量，彻底降低芯片内热阻与界面热阻，可支撑300W/cm²以上的散热需求。目前该技术仍处于前沿研究阶段，分体式与一体式两类技术路线并行探索，随着微流道加工工艺的成熟，未来将成为超高功率芯片散热的终极解决方案。

4 结束语

在数字经济与"双碳"目标的双重驱动下，芯片热流密度的持续攀升与数据中心能耗管控的严苛要求，共同推动制冷技术向液冷方向加速演进。液冷技术凭借低能耗、高散热、低噪声、低TCO的核心优势，已成为解决高密算力散热痛点、打造绿色低碳数据中心的关键支撑技术，未来将在智算与通算场景中获得更为广泛的落地应用。