數(shù)據(jù)中心新時代，液冷起飛
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編者按：本文來自微信公眾號 奇偶派（ID：jioupai），作者：葉子，編輯：釗，創(chuàng)業(yè)邦經授權發(fā)布。
隨著AI、云計算、區(qū)塊鏈等技術的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)資源的存儲、計算與應用需求加速擴張。尤其是自去年年底以來，由ChatGPT引起的大模型浪潮，更是讓數(shù)據(jù)處理熱上加熱，進一步催生了AI算力等大功率應用場景加速落地。
作為信息基礎設施中心及通信設備的數(shù)據(jù)中心承擔的計算量越來越大，對計算效率的要求也越來越高，全球包括國內的數(shù)據(jù)中心有望迎來建設高峰。
而為了應對網絡處理性能的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心服務器及通信設備不斷提升自身處理能力和集成度，功率密度節(jié)節(jié)攀升。而這些變化除了帶來巨額能耗問題以外，高熱密度也給制冷設備和技術提出了更高要求。
如何能在政策嚴格限制PUE（Power Usage Effectiveness）的情況下，仍舊保證散熱能力的不缺失，成為了擺在所有數(shù)據(jù)中心前面的一道難題。
在此背景下，作為風冷的進階版本，液冷憑借其超高能效、超強散熱等特點引起行業(yè)的普遍關注，并逐漸成為散熱的新方向。
那么，為什么液冷能成為大型數(shù)據(jù)中心散熱的必經之路？相關技術分支有哪些？在液冷產業(yè)鏈中，哪些公司將迎來起飛良機？
01 液冷為何是數(shù)據(jù)中心散熱的唯一選擇？在政策、技術與經濟性三重因素的共同推動下，液冷正在快速替代風冷，幾乎要成為數(shù)據(jù)中心散熱的唯一選擇。
在政策端，數(shù)據(jù)中心作為日益增長的能耗大戶，相關政策不斷出臺，衡量其能耗的PUE指標也在日趨嚴格。
中國通信院數(shù)據(jù)顯示，近年我國數(shù)據(jù)中心規(guī)模穩(wěn)步增長，按照標準機架2.5KW來統(tǒng)計，2022年我國數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模將達到670萬架，近五年的CAGR超過30%。其中，大型以上數(shù)據(jù)中心增長更為迅速，2022年底規(guī)模達540萬架，占比達81%。
資料來源：中國通信院，中銀證券
而在數(shù)據(jù)中心存量不斷增長的同時，其耗電量也在快速攀升。工信部數(shù)據(jù)顯示，2021年我國數(shù)據(jù)中心耗電量為2166億kwh，占社會總耗電量的2.6%，相當于1.3個上海市的總社會用電量，而其中用于散熱的能耗占比超過40%，更是占到了非IT能耗的80%。
資料來源：中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與未來前景分析報告
同時，在雙碳背景下，政策導向上也明確要求PUE進一步改善。國家層面，2021年11月發(fā)改委等部門發(fā)布的文件明確指出，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE低于1.3，而內蒙古、貴州、甘肅、寧夏節(jié)點的數(shù)據(jù)中心的PUE更是要控制在1.2以下。
可以說，在政策端的指導下，如果數(shù)據(jù)中心僅僅依靠風冷進行散熱，從能耗上來看已經難以走通，新型散熱方法的應用迫在眉睫。
在技術端，伴隨著芯片能耗的提升，風冷逐漸乏力，液冷勢在必行。
隨著ChatGPT引爆新一輪人工智能應用的熱潮，大模型訓練、運營中對算力的需求也大幅增加，而在算力需求的背后，則是對芯片需要具備更高計算效率的渴求。
進入2023年以來，英偉達發(fā)布了最新的H100計算卡，而其老對手AMD也即將發(fā)布Instinct MI300顯卡，為大模型與人工智能的發(fā)展提供堅實的技術底座。
但計算能力的快速發(fā)展，就必然伴隨著能耗的加大，據(jù)ODCC《冷板式液冷服務器可靠性白皮書》信息，2022年Intel第四代服務器處理器單CPU功耗已突破350瓦，英偉達單GPU芯片功耗突破700瓦，AI集群算力密度普遍達到50kW/柜。
資料來源：紫光集團，浙商證券研究所
而隨著散熱需求的增加，風冷也逐漸顯得乏力。根據(jù)CNKI數(shù)據(jù)，在風冷系統(tǒng)中，風機轉速在4000r/min時，對芯片的散熱效果明顯，而當風機轉速超過臨界值后，便只能改善與空氣的導熱傳熱，散熱效果降低，已經不足以完成當前主流高性能芯片的散熱任務了。
而液體作為吸熱能力更強的材料，在同等單位體積下吸收熱量是空氣的近3000倍，可以有效保障芯片在較低的溫度范圍內進行超頻工作而不出現(xiàn)過熱故障，完全具有“壓住”計算卡的能力。
此外，液冷服務器還可以排除海拔、地域和氣溫的差距，保證運行效率和性能，具備規(guī)?；瘧玫膬?yōu)勢。
在經濟性方面，液冷技術已經成熟，商業(yè)模式合理，可有效節(jié)約能源開支。
根據(jù)中銀證券測算，以單機房為例，200臺服務器總功率為192KW，液冷方案比傳統(tǒng)風冷方案可省電30%，雖然新投入液冷的建設成本有提升，且整體節(jié)約的運行成本隨著使用年限的增長逐步增加，但從整體來看三年和五年的項目成本液冷較風冷減少7%和12%。
而在大模型訓練+推理的共同驅動下，因風冷難以適配最新的計算卡，也推動了液冷市場總量與邊際增速快速提升，這意味著對于更大規(guī)模的機房和數(shù)據(jù)中心來說，規(guī)模效應可以進一步體現(xiàn)，從經濟性角度來看，液冷明顯比風冷更節(jié)能、更劃算。
資料來源：IDC，中銀證券
02 液冷的三大技術路線雖然，液冷都是使用液體來完成導熱和散熱，但在技術方向上大體可分為接觸式及非接觸式兩種。
接觸式液冷，是指將冷卻液體與發(fā)熱器件直接接觸的一種液冷實現(xiàn)方式，包括浸沒式和噴淋式液冷等具體方案。非接觸式液冷，是指冷卻液體與發(fā)熱器件不直接接觸的一種液冷實現(xiàn)方式，包括冷板式等具體方案。
資料來源：IDC圈
冷板式冷卻，液體與發(fā)熱器件不會直接接觸，主要通過液冷板將發(fā)熱器件的熱量間接傳遞給封閉在循環(huán)管路中的冷卻液體，再將冷卻液體中的熱量排至大氣環(huán)境中，之后再次通過風冷或水冷等方式循環(huán)冷卻。
資料來源：《中興通訊液冷白皮書》冷板式液冷示意圖
噴淋式液冷，是面向芯片級器件的精準噴淋，按發(fā)熱元件需求，通過重力或系統(tǒng)壓力直接將冷卻液噴灑至發(fā)熱器件或與之連接的導熱元件上的液冷形式。
資料來源：《中興通訊液冷白皮書》噴淋式液冷示意圖
而浸沒式液冷，則將 IT 設備發(fā)熱元件全部浸沒在冷卻液中實現(xiàn)散熱，根據(jù)工質是否產生相變又分為單相液冷和相變液冷。吸熱后的冷卻液采用風冷或水冷等方式循環(huán)冷卻或者冷凝。
資料來源：《中興通訊液冷白皮書》浸沒式液冷示意圖
在三種液冷路線中，由于冷板式液冷沒有實現(xiàn)元器件與冷卻液的直接接觸，故起步較早，目前成熟度最高。而浸沒式液冷、噴淋式液冷因冷卻液與元器件直接接觸，導致對氟化液純凈度、流體沸騰過程控制要求更高，所以起步較晚，尚未大規(guī)模商用。
但目前，3種不同液冷方案在通信行業(yè)各有一些應用案例。
冷板式液冷在軍用雷達、高密度數(shù)據(jù)中心、高性能電腦、動力電池以及高功率LED散熱領域中已經有了大量的應用，是解決大功耗設備部署、提升能效、降低制冷運行費用、降低TCO的有效應用方案。
浸沒式液冷則因實現(xiàn)了100%的液體冷卻，具有更優(yōu)的節(jié)能效果，在超算、高性能計算領域取得了較多的應用。
其中單相液冷類技術克服了以往IT設備運行環(huán)境的限制，幾乎完全免除濕度、灰塵和振動的影響，優(yōu)化了服務器的運行環(huán)境，延長了設備的壽命。而相變浸沒式液冷技術則在單相液冷的基礎上更進一步，即使服務器在全負荷的狀態(tài)下運行，服務器整體溫度仍能夠維持在合適的范圍內，是數(shù)據(jù)中心高效和極具前景的冷卻方案。
但噴淋式液冷作為兩種方案的”中間體“，面臨著比上不足比下有余的情況，也導致目前公開展示的研究成果和應用實踐相對較少。
03 液冷巨頭艾默生之下 浪潮信息和巨化股份伴隨著AI大模型引領算力需求快速升級，帶動高功率密度的智算和超算中心建設，液冷配套設施早加速導入市場的過程中，也出現(xiàn)了一批相關企業(yè)的投資機會，主要集中于第三方專業(yè)溫控廠商、布局液冷技術的服務器廠商與冷卻液制造廠商中。
首先是以艾默生系為代表的專業(yè)三方溫控廠商，深耕業(yè)內多年，擁有極廣的客戶資源，在存量產品替換層面具有極大的規(guī)模優(yōu)勢。
艾默生系公司普遍具備基礎的散熱技術平臺，且擁有技術橫向復用、業(yè)務橫向開拓的能力。旗下誕生的一批國內電力電子技術龍頭公司，如匯川技術、麥格米特等，基于電力電子技術，聚焦在細分領域的應用，并逐步實現(xiàn)場景化的擴張，市值由十億級走向百億和千億級。
而在旗下的數(shù)據(jù)中心溫控廠商中，前身是艾默生網絡能源的維諦技術龍頭地位穩(wěn)固，市占率達30%左右，連續(xù)16年在國內機房空調市場排名第一。
而在全球范圍內，維諦技術也有廣泛的客戶基礎，目前在網運行超過100萬套空調產品，在未來存量數(shù)據(jù)中心產品替換上具有極大的規(guī)模優(yōu)勢，也是國內機房空調市場一超多強中一超的扮演者。
資料來源：ICT Research
同時，出于安全性、穩(wěn)定性等考慮，企業(yè)客戶在選擇液冷數(shù)據(jù)中心基礎設施供應商時通常需要進行嚴格的資質驗證。另一方面，客戶在與液冷數(shù)據(jù)中心基礎設施供應商建立生產配套關系后，傾向于維持與現(xiàn)有技術供應商的合作，不會輕易更換主要供應商，因此先進入者具有先發(fā)優(yōu)勢，也成為了維諦技術的最大依仗。
在受益于產品替換的第三方溫控廠商外，由于服務器行業(yè)具有較高的進入壁壘，也讓提前布局液冷的服務器廠商擁有了大展身手的機會。
液冷數(shù)據(jù)中心基礎設施產品的研發(fā)和制造涉及冷卻技術、制冷系統(tǒng)設計及仿真技術、溫濕度解耦控制算法等多項技術領域，要求企業(yè)具備成熟、深入的技術積累，而部分長期跟蹤散熱技術的服務器廠商則具有深厚的技術實力，成為了最直接的受益者。
其中，浪潮信息作為“All In 液冷”的服務器廠商，已擁有百余項液冷技術領域核心專利， 并參與制定與發(fā)布10余項冷板式液冷、浸沒式液冷相關設計技術標準，同時聯(lián)合牽頭立項及撰寫冷板式液冷核心技術的4項標準。
在產品端，去年年浪潮信息發(fā)布全棧液冷產品，通用服務器、高密度服務器、整機柜服務器、AI 服務器等四大系列均支持冷板式液冷，同時浪潮信息亞洲最大液冷數(shù)據(jù)中心研發(fā)生產基地正式投產，年產能達到10萬臺，實現(xiàn)了業(yè)界首次冷板式液冷整機柜的大批量交付，并進一步升級液冷智算中心解決方案，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心PUE<1.1。
資料來源：公司公告
目前，浪潮信息液冷產品和解決方案已經在互聯(lián)網、金融、教科研等領域得到廣泛應用。浪潮信息與京東云聯(lián)合推出天樞液冷整機柜服務器，數(shù)據(jù)中心部署總體能耗降低40%以上，散熱效率提升50%，已經于京東云數(shù)據(jù)中心完成規(guī)?；渴?。
而在液冷相關的產品外，冷卻液作為整個系統(tǒng)中最關鍵的材料，市場需求大幅提升。
在浸沒式液冷技術應用中，除了硬件設備要求，液體冷卻劑也是極為關鍵的因素之一。對于合適的接觸式液冷冷卻劑，其物化性質都有著眾多要求，并且需保證不受監(jiān)管限制。
而在眾多材料中，由于氟化液具有良好導熱性、電絕緣、化學惰性等特性，也成為了冷卻液的最佳選擇，當前已被用作超級計算機系統(tǒng)和軍用的敏感電子元器件的冷卻液。
目前，可以大量生產氟化冷卻液的國內企業(yè)包括巨化股份、新宙邦等企業(yè)，其中，巨化股份是最先完成量產的企業(yè)，其開發(fā)的高性能巨芯專用冷卻液于2020年年底正式出廠，填補了國內高性能大數(shù)據(jù)中心專用冷卻液的空白。
作為大數(shù)據(jù)中心冷卻液產品，巨芯冷卻液已通過第三方測試、流動模擬測試、基材兼容性測試和單機運行測試，主要性能指標與國外壟斷產品相當。目前，公司依托自有的技術研發(fā)中心已成功開發(fā)出系列電子氟化液產品包括氫氟醚D系列產品和全氟聚醚JHT系列產品。
而在冷卻液的物化性質、冷卻效率驗證通過后，2021年8月，巨化下屬企業(yè)、浙江創(chuàng)氟高科“年產 5000噸巨芯冷卻液項目”快速上馬開工建設，項目投資5.1億元，產業(yè)化項目采用行業(yè)先進的制備工藝技術，在節(jié)能減排降碳方面有著顯著效果。
項目建成后，將成為全球技術、產能雙領先的單套浸沒式冷卻液生產裝置，能有效滿足國內企業(yè)對浸沒式冷卻液的需求。巨芯冷卻液規(guī)劃5000噸/年產能，截至目前，一期1000噸基本已建設完成。
圖源：巨化股份公眾號
04 寫在最后隨著AI、云計算、大數(shù)據(jù)等技術的快速發(fā)展，作為信息基礎設施的數(shù)據(jù)中心及通信設備承擔的計算量越來越大，對計算效率的要求也越來越高，從而對散熱效率提出了更高的要求。
而在政策、技術與經濟性三端的共同推動下，具備多項優(yōu)勢的液冷技術正在快速替代風冷技術，即將成為未來主流。
而在這一過程中，第三方溫控廠商、傳統(tǒng)服務器龍頭、冷卻液生產廠商都在這個從1到100的過程中快速提升技術實力，加速搶占市場份額。
而一批液冷產業(yè)鏈公司，或許也能在長期的替換和新增需求等積極因素的影響下，得到市場的認可與回饋。