AI行业产业研究-算力系列之一：液冷，护航数据中心走向绿色低碳

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 液冷，护航数据中心走向绿色低碳 AI产业研究 算力系列之一：液冷 2024.01.12 分析师：苏仪 执业证书编号：S0740520060001Email：suyi@zts.com.cn 联系人：刘一哲 Email：liuyz03@zts.com.cn 1 摘要 总体来看，液冷虽然在中国正式起步的时间较晚，但其凭借较高的散热效率与稳定的工作状态，已经吸引了产业界较 多关注与探索，多家服务器厂商和第三方厂商先后密集推出液冷服务解决方案/液冷服务器产品。 –液冷行业起步较晚但发展迅速。2022年我国液冷服务器市场规模约10.1亿美元，同比增长189.9%；预计到2027年我国液冷服务器市场规模将达89亿美元，2022-2027CAGR为54.5%。 –以“东数西算”为标杆，全国多地均对数据中心绿色、节能建设效果提出要求，这将进一步促进液冷的应用渗透率提升。 –电信运营商作为服务器、数据中心应用龙头企业，已提出液冷应用的三年愿景，为液冷应用给出较好的行业应用范例和指引。 当前液冷仍处于发展初期，依然存在产业标准有待明确、产业生态有待完善、产品服务价格较高等困难与挑战。但我们也看到已经有较多市场参与者积极布局液冷行业，随着政策指引持续明确与产业生态持续完善，我们有望看到液冷产业竞争格局在近几年内快速明晰。 展望未来，数字经济持续快速发展，数据量激增与AIGC跨越式发展，均对算力基础设施提出了更高要求；同时，当前以数据中心为代表的服务器集群的高耗能现象、散热表现有待改进与提升，也在推动行业采取更先进、更绿色的温控手段。液冷作为新兴温控手段，其散热效率较传统风冷有较大提升，将在未来获得更多服务器厂商与应用场景的选用。 风险提示：液冷技术探索与应用、行业生态建设不及预期的风险；AI进展不及预期带来下游算力需求不及预期的风险；数据中心建设进度不及预期的风险；市场竞争加剧的风险；研究报告中使用的公开资料可能存在信息滞后或更新不及时的风险等。 目录 CONTENTSONTE 中泰所 ｜领先｜深度 1液冷的基本概念 1.1.1液冷技术分类 液冷是一种以液体作为冷媒，利用液体流动将数据中心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 热部件得到冷却，从而保证IT设备安全运行的技术。 液冷的优势：液冷具备超高能效、超高热密度，能够高效散热，并且不受海拔、地域、气温等环境的影响。 目前，液冷技术主要包括冷板式液冷、喷淋式液冷和浸没式液冷技术三种。 图表：液冷技术分类 资料来源：电信运营商液冷技术白皮书、中泰证券研究所 1.1.2三种液冷技术对比——冷板式液冷 冷板式液冷是通过液冷板（通常为铜铝等导热金属构成的封闭腔体）将发热器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种散热形式。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。 冷板式液冷作为非接触式液冷的一种，行业内具有10年以上的研究积累，在三种主流液冷方案中技术成熟度最高，是解决大功耗设备部署、提升能效、降低制冷运行费用、降低TCO的有效应用方案。但冷板式液冷未能实现100%液体冷却，因此存在机柜功耗低、液冷占比低时，节能收益不显著问题；且液冷板设计需要考虑现有设备的器件布局，结构设计和实现的难度较大，标准化推进难度大。 图表：冷板式液冷系统原理图 资料来源：中兴通讯液冷技术白皮书、中泰证券研究所5 1.1.2三种液冷技术对比——浸没式液冷 浸没式液冷是以冷却液作为传热介质，将发热器件完全浸没在冷却液中，发热器件与冷却液直接接触并进行热交换的制冷形式。浸没式液冷系统室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液；室内侧包含CDU、浸没腔体、IT设备、二次侧管网和二次侧冷却液。使用过程中IT设备完全浸没在二次侧冷却液中，因此二次侧循环冷却液需要采用不导电液体，如矿物油、硅油、氟化液等。 按照热交换过程中冷却液是否存在相态变化，可分为单相浸没液冷和两相浸没液冷两类： •单相浸没式液冷：作为传热介质的二次侧冷却液在热量传递过程中仅发生温度变化，而不存在相态转变，过程中完全 依靠物质的显热变化传递热量。 •两相浸没式液冷：作为传热介质的二次侧冷却液在热量传递过程中发生相态转变，依靠物质的潜热变化传递热量。 相较传统风冷和冷板式液冷，浸没式液冷具备节能（PUE＜1.13）、紧凑、高可靠、低噪声等优势。但同时，浸没式液冷也存在器件选型局限性、维护局限性、机房环境特殊性等局限和问题。 图表：浸没式液冷系统原理图（左为单相浸没式液冷，右为两相浸没式液冷） 资料来源：中兴通讯液冷技术白皮书、中泰证券研究所 1.1.2三种液冷技术对比——喷淋式液冷 喷淋式液冷是面向芯片级器件精准喷淋，通过重力或系统压力直接将冷却液喷洒至发热器件或与之连接的导热元件上的液冷形式，属于直接接触式液冷。喷淋式液冷系统主要由冷却塔、CDU、一次侧&二次侧液冷管路、冷却介质和喷淋式液冷机柜组成；其中喷淋式液冷机柜通常包含管路系统、布液系统、喷淋模块、回液系统等。 喷淋式液冷同样实现了100%液冷，其结构颠覆性也优于浸没式液冷；但喷淋式液冷的节能效果差于浸没式液冷，且存在与浸没式液冷相同的局限性问题。 图表：喷淋式液冷系统原理图 资料来源：中兴通讯液冷技术白皮书、中泰证券研究所 1.1.2三种液冷技术对比 图表：数据中心液冷方式对比 冷板式 浸没式 喷淋式 接触方式 间接接触式 直接接触型 直接接触型 改造成本 较低 较高 中等 可维护性 优秀 较差 中等 空间利用率 较高 中等 最高 兼容性未与主板和芯片模块进行直接的接触，材料兼容性较强 直接接触，材料兼容性较差直接接触，材料兼容性差 冷却效果较好优秀优秀 安装便捷程度不改变服务器主板原有的形态，保留现有服 务器主板，安装便捷 可循环采用双路环状循环对冷冻液实现二次利用，降低运营成本 改变服务器主板原有结构，需重新安装不改变服务器主板原有的形态，安装便捷 通过室外冷却装置进行循环，降低运营成本采用循环泵，实现资源的再利用，降低运营 成本 PUE1.17-1.301.05-1.081.05-1.10 资料来源：华经产业研究院，中泰证券研究所 1.2液冷发展历程 根据液冷服务器的发展历史看，国外公司里IBM于1967年率先实现了首台冷水冷却系统计算机System360。 虽然中国的液冷行业发展相对较晚，但其技术后来居上。2011年中科曙光开创了中国液冷行业的先河。在后续5年中，华为、浪潮信息等和包括中科曙光在内的中国厂商逐渐布局市场并开始大量生产。2019年至今，各大厂商的液冷技术亦突飞猛进。 图表：国内外液冷行业发展历程 资料来源：电信运营商液冷技术白皮书、中泰证券研究所9 1.3液冷服务器产业链梳理 液冷产业生态涉及产业链上中下游，包括上游的产品零部件提供商、中游的液冷服务器提供商及下游的算力使用者。 •上游主要为产品零部件及液冷设备，包括快速接头、CDU、电磁阀、浸没液冷TANK、manifold、冷却液等组件或产 品供应商； •中游主要为液冷服务器、芯片厂商以及液冷集成设施、模块与机柜等； •下游主要包括三家电信运营商，百度、阿里巴巴、腾讯、京东等互联网企业以及信息化行业应用客户，主要在电信信息、互联网、政府、金融、交通和能源等信息化应用。 上游 中游 下游 互联网、金融、电信、政府、交通、能源等 华为、中兴、浪潮、曙光、新华三、联想、超聚变、英特尔等 液冷服务器 英维克、3M、云酷、竞鼎、诺亚、广东合一、绿色云图等 产品零部件：包括快速接头、CDU、电磁阀、TANK等 图表：液冷服务器产业链梳理 BAT互联网企业、三 大运营商等 资料来源：电信运营商液冷技术白皮书，中泰证券研究所 1.4中国液冷服务器市场规模于2027年有望达89亿美元 随着数据中心绿色化发展成为趋势、人工智能领域竞争加剧带来高性能算力需求飞跃式增长，液冷服务器市场近年来 在中国迎来爆发式增长。 根据IDC的数据，2022年中国液冷服务器市场规模达10.1亿美元，同比增长189.9%。2023年中国液冷服务器市场仍将保持快速增长，市场规模也预计将达15.1亿美元。到2027年，中国液冷服务器市场规模有望达到89亿美元。 图表：中国液冷服务器市场规模及预测（单位：亿美元） 中国液冷服务器市场规模 89 10.1 15.1 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20222023E2027E 资料来源：IDC，中泰证券研究所 1.4中国液冷数据中心的行业应用结构 与风冷配合，中国液冷数据中心赋能各行业发展。未来数据中心温控市场将出现“风冷+液冷”协同发展的格局。风冷 技术不会被液冷完全取代，而是针对客户的不同需求，选择不同的数据中心制冷方案。 2019年液冷数据中心主要应用在以超算为代表的应用当中，随着互联网、金融和电信行业业务量的快速增长，上述行业对数据中心液冷的需求量将会持续加大。预计2025年互联网行业液冷数据中心占比将达到24.0%，金融行业将达到25.0%，电信行业将达到23.0%。而能源、生物、医疗和政务等将行业需求将加快融入通用数据中心新业态，整体上规模有所下降。预计2025年能源行业液冷数据中心占比将达到10.5%，生物行业将达到8.5%，医疗行业将达到6.5%，以政务为代表的其他业务则将下降至2.5%。 图表：2019-2025年中国液冷数据中心的行业应用结构及预测 互联网金融电信能源生物医疗其他 14.0% 13.8% 13.2% 12.3% 14.5% 13.3% 12.7% 11.2% 10.1% 10.4% 8.8% 9.0% 11.3% 6.5% 8.5% 10.5% 13.2% 12.5% 15.0% 14.5% 13.8% 22.0% 23.0% 15.5% 16.0% 16.5% 18.0% 20.0% 17.0% 18.5% 19.4% 20.2% 21.5% 22.8% 25.0% 20.0% 20.7% 21.5% 22.3% 22.8% 23.5% 24.0% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 资料来源：赛迪顾问，中泰证券研究所12 1.4国内液冷服务器竞争格局：曙光领先，华为、阿里等紧密追随 国内以中科曙光为首的厂商已经积累了一定的商业化经验，基于产品营收、市占率、客户反馈等指标，中科曙光为市 场的重要领导者，华为、阿里、联想紧随其后，IBM中国位于可期待者位置。 中国液冷服务器行业具有较高的技术壁垒，先进入者具备先发优势。目前国内主要厂商在液冷技术方面还处于试验或初步应用阶段，市场竞争格局尚未明确。此外，由于国内对数据安全的保护，在数据中心基础设施供应上存在一定的地域壁垒。因此，国外厂商进入中国市场或较为困难。 图表：2020年中国液冷数据中心厂商竞争力矩阵图 资料来源：赛迪顾问、中泰证券研究所 13 目录 CONTENTSONTE 中泰所 ｜领先｜深度 2液冷行业发展驱动力 2.1.1数据量激增驱动算力需求不断升级 全球数据总量和算力规模高速增长。据IDC数据显示，2022年全球数据圈数据量规模达到103.66ZB，中国数据量规模将从2022的23.88ZB增长至2027年的76.6ZB，CAGR达到26.3%，增速有望位列全球第一。根据IDC预测，未来3年全球新增数据量将超过过去30年之和，数据激增将使数据存储、传输和处理的所需算力呈现指数级增长。 算力智能化升级成为趋势，智能算力成