数据中心液冷行业深度报告：大模型&大算力带来高功耗，液冷技术有望加速导入

行业深度 计算机 证券研究报告 大模型&大算力带来高功耗，液冷技术有望加速导入 2023年10月19日 数据中心液冷行业深度报告 曙光数创 1.64 20.86 0.84 40.89 1.08 31.70 买入 维持 英维克 0.64 40.09 0.70 36.78 0.93 27.47 买入 浪潮信息 1.39 22.19 1.75 17.65 2.12 14.57 增持 评级同步大市 评级变动： 重点股票 2022A2023E2024E 评级 EPS（元）PE（倍）EPS（元）PE（倍）EPS（元）PE（倍） 行业涨跌幅比较 计算机沪深300 73% 53% 33% 13% -7% % 1M 3M 12M 计算机 -1.28 -11.30 15.47 沪深300 -5.21 -8.34 -7.94 2022/102023/012023/042023/072023/10 何晨分析师 执业证书编号:S0530513080001 hechen@hnchasing.com 黄奕景研究助理 huangyijing@hnchasing.com 相关报告 1计算机行业8月月报：持续关注AI应用落地 进程2023-08-09 2计算机行业7月月报：持续关注AI业绩兑现 2023-07-04 3计算机行业6月月报：算力需求高增长，Al政 策持续催化2023-06-08 资料来源：iFinD，财信证券 投资要点： 液冷是一种用液体来冷却电子设备的散热技术，能够显著提高数据中心散热效率。液冷技术根据冷却液与发热器件的接触方式不同，可以 分为间接液冷和直接液冷，其中间接液冷主要包括冷板式液冷，直接液冷包括浸没式液冷和喷淋式液冷。冷板式液冷和浸没式液冷是目前主流的液冷形式，冷板式液冷应用最为广泛，在改造成本、可维护性、兼容性方面具备优势；浸没式液冷冷却效果最好，节能性上优势明显，但可维护性和兼容性一般，多用于高功率密度机柜。 当前数据中心温控方式仍以风冷为主，液冷方案中冷板式技术更为普及。2022年数据中心液冷技术的渗透率大概在5%~8%左右，风冷仍然占据90%以上的市场份额。按照服务器出货量口径统计，2023H1我国 冷板式液冷服务器比例为90%左右，浸没式液冷渗透率为10%。 数据中心算力与能耗水涨船高，逐渐超出风冷散热阈值，液冷散热已是趋势所向。Chatgpt为代表的生成式人工智能模型拉升算力需求，百亿参数成为模型涌现门槛，算力成为大模型性能提升的关键。大模型 带来大算力，大算力带来高功耗，Intel的多款CPU芯片的TDP已突破350W，NVIDIA的H100系列GPU芯片TDP更是达到700W。这也导致单服务器和单机柜功率均显著上升，已经逐渐超出风冷散热的覆盖范围，液冷散热已成为必然趋势。 PUE限制是现阶段液冷技术发展的核心驱动力。PUE代表数据中心能源使用效率，等于数据中心总耗电/IT设备耗电，比值越接近于1，说明能源越接近全部都用于IT设备负载上。我国数据中心平均PUE为 1.49，仍有半数区域的数据中心PUE位于1.5以上。近几年，国家与地方出台了一系列针对新建与老旧数据中心PUE的管控计划，明确要求东、西部枢纽节点数据中心PUE分别控制在1.25、1.2以下。而传统风冷方案的数据中心PUE一般在1.5左右，高于政策要求的范围；液冷方案能够有效降低冷却系统的能耗水平，从而将数据中心整体PUE降低到1.05-1.2左右，满足相关的政策要求。 此报告考请务必阅读正文之后的免责条款部分 数据中心TCO是液冷技术规模应用的关键因素。数据中心总成本 （TCO）包括建设成本（Capex）和运营成本（Opex）。根据奕信通科技在2022年数据中心标准峰会发布的报告进行测算，以华东地区数据中心建设情况为例，现阶段冷板式液冷方案的TCO甚至Capex已经低于风冷，浸没式液冷方案的TCO也将在运行五年左右之后出现低于风冷方案的拐点。但是该测算结果依赖于一定的前提条件：如机柜功率达到30KW、不计算服务器折旧和服务器运营支出、水电费与房租等运营成本按华东地区情况计价、采用集中式大型IDC机房且IT设备在12个月线性上架后实现80%负载率、外界气温对制冷系统的能耗求较高等。因此在西北部地区、较小型数据中心等场景下液冷技术的经济性尚没有完全体现。但在数据中心发展的大型化、集约化的趋势下，且液冷方案仍存在每年降本5-10%的空间，再考虑到液冷方案能够有效延长服务器使用寿命，未来液冷数据中心TCO的优势将更加明显。 数据中心液冷未来市场规模估算：到2025年，中国数据中心液冷市场规模将达到359亿元左右，CAGR达到72.4%；AI数据中心液冷市场 规模将达到280亿元左右，CAGR达到71.4%；通用数据中心液冷市场规模将达到79亿元，CAGR达到76.2%。 相关标的和投资建议：由于液冷设备与基础设施主要依附于服务器和机房而存在，建议关注：1）服务器产品技术实力雄厚，积极布局液冷技术的服务器厂商：曙光数创、浪潮信息；2）多年深耕温控领域，多点布局的机房温控厂商：英维克。 风险提示：产业政策不及预期风险；人工智能技术发展不及预期风险；芯片算力与功耗发展不及预期风险；液冷技术发展不及预期风险；行业竞争加剧风险 内容目录 1液冷技术详解5 1.1冷板式液冷6 1.2浸没式液冷6 1.2.1单相浸没式液冷7 1.2.2双相浸没式液冷7 1.3喷淋式液冷8 1.4不同液冷方案的比较9 1.4.1冷板式液冷目前应用最为广泛，在改造成本、可维护性、兼容性方面具备优势10 1.4.2浸没式液冷的散热效果和节能性优势明显，但兼容性和维护性一般，多用于高功率密度机柜10 1.4.3喷淋式液冷在安装便利性、空间利用等方面有优势，但是现阶段落地应用相对较少11 2数据中心液冷行业基本情况与竞争格局11 2.1基本情况：数据中心液冷行业如日方升，液冷技术有望加速导入11 2.2产业链：涉及环节众多，存在较高进入壁垒12 2.3竞争格局：行业仍处于技术验证阶段，市场格局尚不明确14 3数据中心液冷行业未来看点16 3.1AI推理/训练服务器功耗有望达到10/2kW，液冷方案成为首选16 3.2PUE限制是现阶段液冷技术发展的核心驱动力20 3.3数据中心TCO是液冷技术规模应用的关键因素23 3.4液冷技术能够有效延长服务器使用寿命，实现降本增效28 3.5解耦交付模式成为未来发展趋势，助力液冷产业规范化发展29 4数据中心液冷未来市场规模估算30 5相关标的和投资建议33 5.1曙光数创：中国数据中心液冷时代领军者33 5.2浪潮信息：服务器龙头“Allin”液冷36 5.3英维克：精密温控龙头积极布局液冷技术38 6风险提示40 图表目录 表1：不同液冷技术对比9 表2：主要厂商液冷技术与产品布局15 表3：通用/AI训练/AI推理服务器配置示例与功耗计算18 表4：国家对于数据中心PUE的管控政策日趋严格21 表5：地方对于数据中心PUE的管控政策22 表6：数据中心TCO测算的假设条件24 表7：数据中心Capex测算结果25 表8：数据中心Opex测算结果26 表9：数据中心TCO测算27 表10：冷板式液冷方案交付模式对比29 表11：主要厂商液冷技术方案交付模式30 表12：中国数据中心液冷市场规模估算32 图1：液冷技术分类5 图2：液冷系统通用架构原理图6 图3：冷板式液冷系统示意图6 图4：单相浸没式液冷系统示意图7 图5：双相浸没式液冷系统示意图7 图6：喷淋式液冷系统示意图8 图7：数据中心液冷技术渗透率11 图8：2023H1冷板式和浸没式液冷服务器比例（出货量）12 图9：液冷产业链与主要厂商13 图10：数据中心液冷行业仍处于技术验证阶段14 图11：2020年中国液冷数据中心厂商竞争力矩阵图14 图12：2021-2023H1中国液冷数据中心部署规模情况14 图13：全球生成式AI算力市场规模预测16 图14：TDP/算力下降幅度逐渐减小17 图15：英伟达GPU算力增长迅速17 图16：CPU/GPUTDP变化趋势17 图17：2011-2020年平均单机柜功率变化19 图18：2020年全球数据中心平均单机柜功率情况19 图19：单机柜功率密度与冷却方式演变19 图20：2019-2022年我国数据中心耗电量20 图21：2021年我国各区域数据中心PUE21 图22：不同PUE的数据中心能耗结构23 图23：数据中心不同冷却方式PUE23 图24：数据中心基础设施组成（机电部分Capex）24 图25：液冷相比于风冷方案的机电部分Capex比较25 图26：数据中心Opex结构（风冷）26 图27：电子设备故障统计数据结果分析28 图28：浸没式液冷服务器相比于风冷服务器部件的失效率29 图29：曙光数创数据中心液冷产品矩阵33 图30：2019-2023H1曙光数创营收及增速34 图31：2019-2023H1曙光数创归母净利润及增速34 图32：2019-2023H1曙光数创营收构成34 图33：2019-2023H1曙光数创分业务毛利率35 图34：曙光数创液冷技术与产品均处于行业领先梯队35 图35：2022年中国液冷服务器市场份额36 图36：浪潮信息全栈布局液冷37 图37：浪潮信息全液冷机柜37 图38：英维克业务布局38 图39：2018-2023H1英维克营业收入及增速38 图40：2018-2023H1英维克归母净利润及增速38 图41：2018-2023H1英维克与佳力图机房温控业务营收情况39 图42：2019年中国机房温控设备市场竞争格局39 1液冷技术详解 液冷是一种用液体来冷却电子设备的散热技术。液冷的工作原理是以液体作为冷媒，利用液体的高热容和高热传导性能，通过液体流动将IT设备的内部元器件产生的热量传 递到设备外，使IT设备的发热器件得到冷却，以保证IT设备在安全温度范围内运行（本文主要讨论数据中心应用场景下的液冷技术）。根据冷却液与发热器件的接触方式不同，可以分为间接液冷和直接液冷。间接液冷是指服务器热源与冷却液之间没有直接接触的 换热过程，以冷板式液冷技术为主。直接液冷是指将发热部件与冷却液直接接触的冷却方式，包括浸没式和喷淋式液冷技术。其中又可以根据冷却液是否会发生液态到气态的 转变，将浸没式液冷分为单相浸没式液冷和双相浸没式液冷。当前，冷板式液冷和浸没 式液冷为液冷的主要形式。 图1：液冷技术分类 资料来源：根据《电信运营商液冷技术白皮书》整理绘图，财信证券 液冷系统通用架构包括室外侧和室内侧两部分：室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液；室内侧包含CDU、液冷机柜、ICT设备、二次侧管网和二次侧冷却液。室外侧为外部冷源，通常为室外的冷水机组、冷却塔或干冷器，热量转移主要通过水温的升降实现；室内侧包括供液环路和服务器内部流道，主要通过冷却液温度的升降实现热量转移；两个部分通过CDU中的板式换热器发生间壁式换热。 图2：液冷系统通用架构原理图 资料来源：中兴通讯《液冷技术白皮书》，财信证券 1.1冷板式液冷 冷板式液冷属于间接液冷，冷却液不与服务器芯片直接接触。冷板式液冷也被称作芯片级液冷，技术原理是通过在服务器组件（如CPU、GPU等高发热部件）上安装液冷 板（通常为铜铝等导热金属构成的封闭腔体），服务器组件通过导热部件将热量传导到液冷板上，然后利用液冷板内部的液体循环将热量传递到远离服务器的散热单元；同时一般会增设风冷单元为低发热元件进行散热。 冷板式液冷系统主要由冷却塔、CDU、一次侧&二次侧液冷管路、冷却介质、液冷机柜组成；其中液冷机柜内包含液冷板、设备内液冷管路、流体连接器、分液器等。图3：冷板式液冷系统示意图 资料来源：中兴通讯《液冷技术白皮书》，财信证券 1.2浸没式液冷 浸没式液冷属于直接液冷，将发热器件浸没在冷却液中进行热交换，依靠冷却液流动循环带走热量。 浸没式液冷系