一、算力持续增加对散热技术提出新要求，液冷是有效解决方案
随着人工智能、云计算、大数据以及区块链等技术的创新发展，以高速率、低时延和大连接为特点的 5G 通信时代到 来，作为信息基础设施的数据中心及通信设备承担的计算量越来越大，对计算效率的要求也越来越高。为了应对网络 处理性能的挑战，数据中心服务器及通信设备不断提升自身处理能力和集成度，带来了功率密度的节节攀升。这些变 化除了带来巨额能耗问题以外，高热密度也给制冷设备和技术提出了更高要求。传统风冷技术面对高热密度场景呈现 瓶颈，散热效率已经跟不上计算效率。在此背景下，液冷技术以其超高能效、超高热密度等特点引起行业的普遍关注， 液冷技术是解决散热压力和节能挑战的必由之路。
1、算力持续增加对芯片散热要求更高，液冷是解决散热压力和节能挑战的必由之路
算力持续增加促进功率密度增长，对制冷技术提出新的要求。算力的持续增加促进通讯设备性能不断提升，芯片功耗 和热流密度也在持续攀升，产品每演进一代功率密度攀升 30~50%。当代 X86 平台 CPU 最大功耗 300~400W，业界 最高芯片热流密度已超过 120W/cm2；芯片功率密度的持续提升直接制约着芯片散热和可靠性，传统风冷散热能力越 来越难以为继。芯片功率密度的攀升同时带来整柜功率密度的增长，当前最大已超过 30kW/机架；对机房制冷技术也 提出了更高的挑战。液冷作为数据中心新兴制冷技术，被应用于解决高功率密度机柜散热需求。
双碳政策下数据中心 PUE 指标不断降低。近年来，在“双碳”政策下，数据中心 PUE 指标不断降低，多数地区要求 电能利用效率不得超过 1.25，并积极推动数据中心升级改造，更有例如北京地区，对超过规定 PUE 的数据中心电价 进行加价。
制冷系统在典型数据中心能耗占比 24%，降低制冷系统能耗是降低 PUE 的有效方法。算力的持续增加，意味着硬件 部分的能耗也在持续提升；在保证算力运转的前提下，只有通过降低数据中心辅助能源的消耗，才能达成节能目标下 的 PUE 要求。制冷系统在典型数据中心能耗中占比达到 24% 以上，是数据中心辅助能源中占比最高的部分，因此， 降低制冷系统能耗能够极大的促进 PUE 的降低。有数据显示，我国数据中心的电费占数据中心运维成本的 60-70%。 随着服务器的加速部署，如何进一步降低能耗，实现数据中心绿色发展，成为业界关注的焦点。
液冷技术能实现极佳节能效果。近年来，为了降低制冷系统电能消耗，行业内对机房制冷技术进行了持续的创新和探 索。间蒸/直蒸技术通过缩短制冷链路，减少过程能量损耗实现数据中心 PUE 降至 1.15~1.35；液冷则利用液体的高 导热、高传热特性，在进一步缩短传热路径的同时充分利用自然冷源，实现了 PUE 小于 1.25 的极佳节能效果。
2、风冷是最成熟冷却方案之一，但仍存在多项不足
目前风冷技术是数据中心最为成熟和应用最为广泛的冷却方案之一。它通过冷／热空气通道的交替排列实现换热。机 架产生的热空气由机房空调（CRAC）或者机房空气处理单元（CRAH）产生的冷空气进行冷却，冷空气通过地下的 通风口输送至机架间的冷空气通道。其中，CRAC 采用制冷剂为媒介进行冷却，而 CRAH 则采用水－空气换热器对 水进行冷却。 在典型的风冷数据中心中，所有服务器机架均呈行排列。通过 CRAH 或 CRAC 单元冷却的空气通过地下通风通道进 入数据中心房间后，扩散经过服务器，吸收服务器产生的热量后进入热风通道，从而回到 CRAH 或 CRAC 单元。因 此，风冷技术会同时冷却服务器机架内的所有电子器件。
风冷技术存在低密度和相对较低的散热能力的不足。这对于高性能计算（HPC）应用尤为明显。此外，风冷技术还有 以下不足：
1）热点。由于缺乏合适的空气流量控制系统，服务器设备产生的热量和冷空气换热不均匀，容易在服务器机架之间 和内部形成局部热点。因此，为了充分消除这些热点，需要对数据中心进行过度冷却，从而额外增大了能耗。
2）机械能耗。在冷却过程中，很大一部分电能用于驱动风机和泵，从而实现空气和水的循环。
3）环境匹配性。为了维持数据中心运行稳定，采用风冷技术的系统通常需要常年不间断运行。因此，即使在冬季， 室外温度较低，也需要维持数据中心的冷却循环，不利于节能。
4）占用空间大。要达到有效冷却，数据中心通常需要大量的空间来放置空调和服务器机架。
3、相较于风冷，液冷具有低能耗、高散热、低噪声、低 TCO 等优势
液冷通过液体代替空气，把热量带走。液冷是通过液体代替空气，把 CPU、内存等 IT 发热器件产生的热量带走，就 好似给服务器局部冷却、整体“淋浴”甚至全部“泡澡”。根据目前技术研究的进程，将液冷分类为了水冷和冷媒冷 却。可用冷媒包括水、矿物油、电子氟化液等。
液冷具有低能耗、高散热、低噪声、低 TCO 等优势。液体的冷却能力是空气的 1000～3000 倍。液冷技术可实现高 密度、低噪音、低传热温差以及普遍自然冷却等优点，相对于风冷技术具有无法比拟的技术优势，是一种可以适用于 需要大幅度提高计算能力、能源效率和部署密度等场景的优秀散热解决方案。
（1）低能耗
传热路径短：低温液体由 CDU（冷量分配单元）直接供给通讯设备内； 换热效率高：液冷系统一次侧和二次侧之间通过换热器实现液液换热；一次侧和外部环境之间结合风液换热、液液换 热、蒸发汽化换热三种形式，具备更优的换热效果； 制冷能效高：液冷技术可实现 40~55℃高温供液，无需压缩机冷水机组，采用室外冷却塔，可实现全年自然冷却；除 制冷系统自身的能耗降低外，采用液冷散热技术有利于进一步降低芯片温度，芯片温度降低带来更高的可靠性和更低 的能耗，整机能耗预计可降低约 5%。
（2）高散热
液冷系统常用介质有去离子水、醇基溶液、氟碳类工质、矿物油或硅油等多种类型；这些液体的载热能力、导热能力 和强化对流换热系数均远大于空气；因此，针对单芯片，液冷相比于风冷具有更高的散热能力。同时，液冷直接将设 备大部分热源热量通过循环介质带走；单板、整柜、机房整体送风需求量大幅降低，允许高功率密度设备部署；同时， 在单位空间能够布置更多的 ICT 设备，提高数据中心空间利用率、节省用地面积。
（3）低噪声
液冷散热技术利用泵驱动冷却介质在系统内循环流动并进行散热，解决全部发热器件或关键高功率器件散热问题；能 够降低冷却风机转速或者采用无风机设计，从而具备极佳的降噪效果，提升机房运维环境舒适性，解决噪声污染问题。
（4）低 TCO
液冷技术具有极佳的节能效果，液冷数据中心 PUE 可降至 1.2 以下，每年可节省大量电费，能够极大的降低数据中 心运行成本。相比于传统风冷，液冷散热技术的应用虽然会增加一定的初期投资，但可通过降低运行成本回收投资。 以规模为 10MW 的数据中心为例，比较液冷方案（PUE1.15）和冷冻水方案（PUE1.35），预计 2.2 年左右可回收 增加的基础设施初投资。
通过将传统风冷、冷板式液冷和单相浸没液冷对比，浸没式液冷功率密度最高，机柜数量和占地面积最小，冷却能耗和冷却电费最低；而风冷的功率密度最低，机柜数量和占地面积最大，冷却能耗和冷却电费最高；冷板式液冷居中。
液冷系统通用架构：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。
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