液冷专题报告：AI助推液冷行业步入新时代

液冷专题报告 AI助推液冷行业步入新时代 西南证券研究发展中心通信研究团队2024年9月 核心要点 液冷技术通过使用高比热容的液体作为冷却介质，相比风冷技术在多个方面表现出色。在散热能力上，液冷可以有效降低芯片温度，减少PUE（电源使用效率）至1.2以下，而风冷的PUE值一般为1.5-1.8。此外，液冷还能够显著降低噪音，并且在高密度计算应用中提供更高的空间利用率，建设成本和选址限制也更少。随着单机柜功率需求的上升（如达到30kW以上），液冷逐渐成为数据中心的主流冷却技术。 随着液冷技术的不断成熟和市场需求的增加，市场空间不断扩大。液冷技术应用正在快速推进，电信运营商和互联网厂商积极推动市场需求。液冷服务器的招标比例持续上升，全球和中国的液冷市场增长迅速，预计到2030年全球市场将达到213亿美元（MarkettoMarket数据），中国市场到2027年将达到45亿元（国家互联网信息办公室数据）。市场竞争激烈，主要由英维克、Vertiv、华为等公司主导。液冷产业链已经形成从零部件到服务器的完整生态。 芯片功率提升、国家PUE标准趋严、AI服务器市场的快速增长驱动液冷行业发展。英伟达率先在2024年发布最大功耗可达1200W的B200芯片，芯片功率的持续提升将带动液冷技术的应用需求。其次，随着国家PUE标准的趋严，液冷技术能够将PUE值降低到1.2以下，更符合绿色数据中心的要求。此外，2023年液冷服务器在全球AI服务器出货量中占比达到45%（IDC数据），AI服务器市场的快速增长有望使液冷解决方案成为未来数据中心的主流选择。 相关标的：施耐德电气、依米康、vertiv等。 风险提示：AI发展不及预期；数据中心建设不及预期；国家产业政策变动风险；市场竞争加剧等风险。 1 目录 一、冷却技术对比及技术原理 二、液冷市场格局及产业链 三、液冷行业发展驱动力 四、液冷重点公司 2 液冷VS 风 冷 1液冷VS风冷 当前数据中心制冷技术以风冷为主。风冷是将空气作为冷媒，把服务器主板、CPU等散发出的热量传递给散热器模块，再利用风扇或空调制冷等方式将热量吹走，这也是散热系统消耗数据中心近半电力的主因。风冷包括直接空气自然冷技术和间接空气自然冷技术。这两种风冷技术效率都比较高，但对环境和安装要求较高，会对IT设备造成损耗降低可靠性。 液冷是一种新型散热方式。2023年液冷的渗透率约为5%。液冷通过外部冷却水或冷冻水系统实现系统换热，具体是使用高比热容的液体作为传热工作介质来满足IT设备（如服务器）的冷却需求。目前，基于液冷技术 的主流方案包括冷板式液冷和浸没式液冷两种，喷淋式液冷方案国内实施较少。对比风冷，液冷在热换介质、驱动部件、散热能力、节能降耗、噪音、建设成本和选址上优势更为明显。考虑到从PUE指标来看，风冷技术的均值为1.5-1.8，液冷技术可以将PUE指标降至1.2以下，满足当前绿色数据中心的要求。 风冷 液冷 换热介质 空气 液体 驱动部件 风扇 移除风扇 散热能力 散热能力一般 散热效果好 节能降耗 PUE值2以内 PUE值1.2以内 噪音 噪音高 移除风扇、噪音低 建设成本 机柜只能低密布局，机柜占用机房面积大，需传统精密空调和冷热通 道设计 可带来机柜高密布局设计、减少占用机房面积、低PUE意味着电源、 配电和备份基础设施的规模较少 选址方面 对环境气候、电力因素考虑要求较 高 不受空气质量与气候、能源政策限 制，全球各地均可 数据来源：曙光数创招股说明书，中兴液冷技术白皮书，西南证券整理3 1.1风冷技术 风冷技术是当前数据中心制冷技术主流。风冷散热器，其散热原理即通过与发热物体（就电脑而言即CPU、GPU等半导体芯片）紧密接触的金属散热片，将发热物体产生的热量传导至具有更大热容量与散热面积的散热片上，再利用风扇的导流作用令空气快速通过散热片表面，加快散热片与空气之间的热对流，即强制对流散热。 风冷系统原理图 数据来源：知乎，西南证券整理4 三种液冷技术比较 当前液冷技术包括冷板式、浸没式、喷淋式等类型。其中，冷板式液冷技术在可维护性、空间利用率、兼容性方面具有较强的应用优势；但在成本方面，由于其单独定制冷板装置的原因，导致技术应用的成本相对较高。而喷淋式液冷技术则通过改造旧式的服务器和机柜的形式，大幅度减少了数据中心基础设施的建设成本。浸没式技术与其他两种技术相比，虽然器件的可维护性和兼容性较差，但空间利用率与可循环方面具有较好的表现，降低数据中心的能耗。 1.2液冷技术 冷板式 浸没式 喷淋式 成本 冷板要求规格多，大多需要 单独定制，成本较高 冷却液用量较多，成本 居中 通过改造旧式服务器和机柜， 增加必要装置，成本较小 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 安装简洁程度 不改变服务器原有的形态，保留现有服务器主板，安装便捷 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 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 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 数据来源：中兴液冷技术白皮书，西南证券整理5 1.2液冷技术 冷板式液冷是一种非接触式的液冷技术。该技术通过液冷板（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。 冷板式液冷散热原理：1.液冷板与芯片贴合；2.芯片设备热量通过热传导传递到液冷板，工质在CDU循环泵的驱动下进入冷板，之 后在液冷板内通过强化对流换热吸收热量。 冷板式液冷系统原理图 数据来源：中兴液冷技术白皮书，西南证券整理6 1.2液冷技术 液浸没式液冷是一种接触式的液冷技术。该技术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双相浸没液冷两类。 其中，单相浸没式液冷技术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。 单相浸没式液冷系统原理图 数据来源：中兴液冷技术白皮书，西南证券整理7 1.2液冷技术 双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。其传热路径与单相浸没液冷基本一致。主要差异在于二次侧冷却液仅在浸没腔体内部循环，浸没腔体内顶部为气态区、底部为液态区：IT设备完全浸没在低沸点的液态冷却液中，液态冷却液吸收设备热量后发生沸腾，汽化产生的高温气态冷却液因密度较小，会逐渐汇聚到浸没腔体顶部，与安装在顶部的冷凝器发生换热后冷凝为低温液态冷却液，随后在重力作用下回流至腔体底部，实现对IT设备的散热。 双相浸没式液冷 数据来源：中兴液冷技术白皮书，西南证券整理8 1.2液冷技术 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。 喷淋式液冷系统原理：在冷量分配单元内冷却后的冷却液被泵通过管路输送至喷淋机柜内部；冷却液进入机柜后直接通过分液器进入与服务器相对应的布液装置，或将冷却液输送至进液箱以提供固定大小的重力势能以驱动冷却液通过布液装置进行喷淋；冷却液通过IT设备中的发热器件或与之相连的导热材料进行喷淋制冷；被加热后的冷却液将通过回液箱进行收集，并通过泵输送至冷量分配单元进行下一个制冷循环。 喷淋式液冷系统原理图 数据来源：中兴液冷技术白皮书，西南证券整理9 1.2液冷技术 液对气(liquidtoair)散热方案： 通过泵将冷却液分配到服务器，再通过水冷板将热能带出，最后由CDU内的风扇将热能吹到机房空气中。 冷却分配单元（CDU）扮演主泵角色，自带散热器和风扇。 CDU价格在5到6万美金之间。 液对液(liquidtoliquid)散热方案： 使用板式热交换器进行热交换，将热能传递到数据中心的冷却水塔进行冷却。 能源利用效率高，PUE值低，适合新建的数据中心。 CDU价格在10万到15万美金之间。 liquidtoair机柜 liquidtoliquid机柜 数据来源：云达科技，西南证券整理10 1.3冷却方式随机柜功率演变 单机柜功率超出风冷散热阈值，液冷散热大势所趋。根据维谛技术白皮书，风冷散热一般适用于20kW/机柜左右的功率密度以下，20kW以上时液冷散热优势明显。不考虑考虑到电源模块、网络模块等因素，假设单rack内可以放置6个AI训练服务器，预计单rack功率可以达到37.8kW（2个CPU功耗700w，8个GPU功耗5600w）；考虑到机柜中其他模块的散热情况，实际单机柜功率会更高。对于AI训练与推理服务器机柜，其单机柜功率已经超出风冷散热所能覆盖的功率密度范围，液冷散热已成大势所趋。 冷却方式演变图 数据来源：维谛技术白皮书，西南证券整理11 目录 一、冷却技术对比及技术原理 二、液冷市场格局及产业链 三、液冷行业发展驱动力 四、液冷重点公司 12 2.1液冷落地不断加速 电信运营商提出液冷三年愿景。《电信运营商液冷技术白皮书》指出了电信运营商在液冷方面的三年愿景，2023年，开展技术验证，充分验证液冷技术性能，储备规划、建设与维护等技术能力；2024年，开展规模测试，新建项目10%试点液冷技术；2025年，保证50%以上项目规模应用，推进形成标准统一、生态完善、成本最优、规模应用的高质量发展格局。 互联网厂商应用较为广泛。根据科智咨询，泛互联网行业以及泛政府行业目前液冷技术应用最为广泛。2022年，中国液冷数据中心市场需求中，泛互联网行业液冷数据中心需求规模最大，达到32%。一方面以公有云为代表的应用场景具有高密属性，需要采用更为高效的散热方式；另一方面，头部企业逐步在自有数据中心中开展液冷技术探索与验证，带来相应需求。 电信运营商三年愿景 2022年中国液冷数据中心行业需求结构 数据来源：《电信运营商液冷技术白皮书》，科智咨询，西南证券整理13 运营商招标液冷服务器 2.2国内服务器厂商积极布局 液冷服务器招标占比不断提升。主流服务器制造商已在2022年陆续开始建设标准化规模生产冷板液冷服务器的产线，头部大厂均已明确布局战略，助力液冷产业化。从运营商招标结果来看，中国移动2023年至2024年新型智算中心项目共集采2454台AI服务器，液冷比例高达87%；中国电信AI算力服务器(2023-2024年)项目共集采4175台AI服务器，液冷服务器占比25%。 液冷服务器竞争格局较为稳定。对于现有服务器厂商来说，布局液冷服务器难度不高，市场竞争主要集中在现有厂商中。据IDC数据，2022年浪潮、超聚变、宁畅位居我国液冷服务器市场前三，占据了七成左右的市场份额。浪潮位列第一，超聚变、宁畅凭借液冷服务器的率先布局、系统的液冷定制方案排名