冷板液冷標準化及技術優化白皮書

冷板液冷標準化及技術優化白皮書ODCC-2023-02004

[編號ODCC-2023-02004]

冷板液冷標準化及技術優化白皮書

開放數據中心委員會

2023-019發布

冷板液冷標準化及技術優化白皮書ODCC-2023-02004

前言

本規范由開放數據中心標準推進委員會發布。

2015年，OpenAI成立，通過GPT（GenerativePre-trained

Transformer）算法，在2018年6月推出了GPT-1（1.2億參數），

在2019年11月增加了訓練的數據量后推出了GPT-2（15億參數），

在2020年6月推出了GPT-3（1750億參數）。隨著數據參數的加大

發現差異很小，后加入人工反饋強化學習來提升對話質量，在2022

年3月推出了GPT-3.5；對話優化后，在2022年11月就推出了

ChatGPT。月活人數突破1億僅用時兩個月。2023年2月7日微軟

將ChatGPT引入到搜索引擎Bing正式發布。除了微軟，谷歌、Meta、

百度、騰訊、阿里巴巴紛紛入局進軍生成式AI。生成式AI模型需

求的暴漲，使得對芯片的需求從CPU+加速器轉變為以GPU主導的大

規模并行計算。未來，在單芯片性能之上，智算中心能夠通過算力

的生產-調度-聚合-釋放，支持AI產業化發展?，F階段，單CPU熱

設計功耗為150～200W，最高可達350W；單GPU熱設計功耗為

300～400W，最高可達700W。與此同時，服務器功耗從傳統服務器

的1kW增加到AI服務器的6.5～10kW。空氣冷卻解決成本和難度大

幅上升，英偉達、英特爾等芯片公司已經開始將冷卻的方式轉向液

冷。

液冷是指通過液體代替空氣冷卻芯片，根據液體與芯片是否接

觸可以分為直接液冷和間接液冷。直接液冷包括浸沒液冷和噴淋液

冷，浸沒液冷又分為單相浸沒和兩相浸沒。而間接液冷主要是冷板

液冷。早在20世紀60年代，IBM就推出了用冷板液冷冷卻的計算

IV

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機產品。直到21世紀初，美國GRC（GreenRevolutionCooling）

公司推出了單相浸沒冷卻解決方案。2017年，廣東合一推出了噴淋

式液冷。2019年曙光完成全球首個大規模刀片式浸沒兩相液冷商業

應用項目。2021年，微軟發布了箱體式兩相浸沒液冷方案。而冷板

液冷作為歷史最悠久，技術最為成熟，生態系統最為豐富的液冷解

決方案，它的爆發已經到來！

本白皮書傾注了作者大量的時間和精力，其成文也仰仗各參編

老師撰寫并參與討論，其次，本文得到程軍先生、王鋒先生、何智

強先生和袁達人先生提供的產品資料，在此對上人員做出的貢獻表

示由衷的感謝。此外，本文很多化工類專有名詞的解釋均得益于

ChatGPT，令人充分感受到科技的便利和AI的潛力。最后，作者盡

量用實物照片為讀者生動呈現相關技術和產品，希望通過本白皮書

促進冷板液冷技術快速迭代優化，為讀者在冷板液冷的實踐和決策

提供有價值的信息和建議。

由于時間倉促，水平所限，錯誤和不足之處在所難免，歡迎各

位讀者批評指正。如有意見或建議請聯系dceco@。

V

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目錄

版權聲明..............................................................................................................................................I

編寫組.................................................................................................................................................II

前言.................................................................................................................................................IV

冷板液冷標準化及技術優化白皮書................................................................................................1

一、概述...........................................................................................................................................1

二、術語、定義和縮略語..............................................................................................................1

三、冷板液冷介紹..........................................................................................................................8

（一）冷板液冷技術介紹......................................................................................................8

1.冷板液冷發展歷程......................................................................................................8

2.冷板液冷技術原理....................................................................................................10

3.冷板液冷技術特點....................................................................................................12

4.冷板液冷關鍵技術....................................................................................................15

（二）常用產品器件介紹....................................................................................................16

1.冷板組件....................................................................................................................17

2.快速接頭QDC.............................................................................................................20

3.軟管............................................................................................................................24

4.機柜工藝冷媒供回歧管RCM.....................................................................................25

5.冷量分配單元CDU.....................................................................................................26

6.環路工藝冷媒供回歧管LCM.....................................................................................29

7.冷源............................................................................................................................30

8.工藝冷媒....................................................................................................................34

（三）冷板液冷發展面臨的主要挑戰................................................................................40

VI

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1.水質............................................................................................................................40

2.泄漏............................................................................................................................42

3.冗余路由....................................................................................................................44

4.高成本........................................................................................................................44

5.建設周期長................................................................................................................45

6.能耗問題....................................................................................................................45

7.冷源水耗....................................................................................................................46

四、工程標準化及設計要求........................................................................................................46

（一）標準化現狀及需求....................................................................................................46

1.標準化現狀................................................................................................................46

2.標準化需求................................................................................................................48

（二）工程標準化設計要求................................................................................................50

1.二次側管路................................................................................................................50

2.功能要求....................................................................................................................54

（三）典型案例介紹............................................................................................................55

1.江蘇某大數據產業園項目........................................................................................55

2.廈門某智算中心........................................................................................................57

3.山西某大規模冷板液冷數據中心............................................................................58

4.廣州科云數據中心....................................................................................................59

五、接液材料研究........................................................................................................................60

（一）傳統材料....................................................................................................................61

（二）國外推薦材料............................................................................................................61

1.金屬與金屬合金類....................................................................................................61

2.合成橡膠、塑料和其它材料類................................................................................63

VII

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（三）國內常用非金屬材料................................................................................................65

1.管路及接頭材料........................................................................................................65

2.密封件材料................................................................................................................69

（四）新材料管路設計制造及測試方法............................................................................72

1.設計原則....................................................................................................................72

2.管路制造....................................................................................................................74

3.測試............................................................................................................................74

（五）其它行業領域冷板液冷新材料應用........................................................................76

1.直流輸電領域............................................................................................................76

2.靜止無功補償裝置SVC冷卻領域............................................................................77

3.儲能領域....................................................................................................................78

（六）數據中心新材料應用案例........................................................................................81

1.國內數據中心案例....................................................................................................81

2.國外數據中心案例....................................................................................................83

六、冷板液冷新技術展望............................................................................................................89

（一）負壓冷板液冷技術....................................................................................................89

1.技術背景介紹............................................................................................................89

2.負壓CDU技術原理....................................................................................................89

3.負壓液冷系統方案技術亮點....................................................................................92

4.應用案例....................................................................................................................94

（二）相變冷板冷卻技術....................................................................................................97

1.重力熱管方案............................................................................................................97

2.動力熱管方案............................................................................................................98

（三）冷板液冷氣-液混合技術..........................................................................................98

VIII

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1.風冷CDU.....................................................................................................................99

2.氣-液組合末端........................................................................................................102

3.氣-液同源冷源........................................................................................................102

參考文獻........................................................................................................................................105

IX

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一、概述

隨著AI時代的到來，冷板液冷技術作為一種解決高算力發熱的

冷卻方式，已經成為行業最熱門的話題之一，得到越來越廣泛的關

注。本文將分四個部分進行展開：

第一部分：對冷板液冷技術進行介紹，從發展歷程、技術特點、

關鍵技術、器件組成等方面逐一介紹，并指出其發展面臨的主要挑

戰。

第二部分：對冷板液冷的工程標準化進行分析，從標準化的現

狀，到標準化的需求，并指出設計和功能要求，最后分享一些典型

數據中心案例。

第三部分：通過接液材料的詳細描述，為讀者呈現除傳統材料

外，其他行業領域和國內外數據中心對新材料的應用情況分享。

第四部分：對近幾年冷板液冷出現的新技術進行介紹和展望。

二、術語、定義和縮略語

AsahiGlassFluoroelastomer的簡寫。它是由日本旭硝子株式

會社（AsahiGlassCo.,Ltd.）開發的一種特殊的氟橡膠材

AFLAS

料，學名是聚四氟乙烯-聚丙烯共聚物，它具有優異的耐化學

性、耐高溫性、耐油性和耐候性，常用于制造密封件。

CDA銅發展協會（CopperDevelopmentAssociation）。

CDU冷量分配單元（CoolantDistributionUnit）用于實現液冷系

統的二次側冷卻環路驅動、穩壓和自動配流，同時實現一二次

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側循環系統熱量交換、物理隔離等功能的單元。

制冷負載系數（CoolingLoadFactor），一般定義為數據中心

CLF制冷設備耗電與IT設備耗電的比值。本文提到的冷板液冷CLF指

的是冷板液冷系統的耗電與對應液冷部分IT設備耗電的比值。

中央處理器（CentralProcessingUnit），它是服務器的核心

CPU

組件之一。

氯化聚氯乙烯（ChlorinatedPolyvinylChloride），是一種

特殊的塑料材料，是PVC經過氯化處理而制成的。它具有出色的

CPVC

阻燃性能和耐化學腐蝕性能，廣泛應用于管道系統、化工設

備、火災噴淋系統、電力線路絕緣和建筑材料等領域。

計算機房空調器（ComputerRoomAirConditioner），其主要

CRAC是指帶壓縮機的蒸汽壓縮制冷循環系統，通過制冷劑蒸發將機

房空氣熱量帶到室外的空調。

計算機房空氣處理器（ComputerRoomAirHandler），其主要

CRAH

是指通過冷凍水將機房空氣熱量帶走的冷凍水末端空調。

氯磺化聚乙烯（ChlorosulfonatedPolyethylene），也被稱為

海普隆Hypalon?。它是一種通過將聚乙烯與氯和硫進行反應而

CSPE

制得的合成橡膠，其特性包括耐候性、耐輻射、抗化學腐蝕和

電絕緣性能。

直接接觸式液體冷卻（DirectContactLiquidCooling），

DCLCDCLCTM被CoolIT公司注冊，特指冷板液冷的間接式液冷，直接接

觸指的是冷板（而非工藝冷媒）與CPU等發熱源的直接接觸。

三元乙丙橡膠（EthylenePropyleneDieneMonomer），是一

EPDM

種合成橡膠。

乙烯丙烯橡膠（EthylenePropyleneRubber），是一種合成橡

EPR

膠。

它是由乙烯（Ethylene）、四氟乙烯（Tetrafluoroethylene）

和丙烯（Propylene）通過共聚反應制得的共聚物，ETP型氟橡

ETP

膠是一種高性能的氟橡膠材料，具有出色的化學穩定性、耐熱

性和耐油性。

FEP聚全氟乙丙烯（FluorinatedEthylenePropylene），是一種

熱塑性聚合物，由四氟乙烯和含氟單體（如四氟乙烯醚）共聚

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而成。它具有類似于PTFE的出色耐化學腐蝕性、低摩擦系數和

優異的耐高溫性能。相比于PTFE，FEP具有更低的熔融溫度，更

容易地加工成各種形狀。

含氟彈性橡膠（Fluoroelastomer），也稱氟碳橡膠

FKM（FluorocarbonRubber），是一種特殊的橡膠材料，具有出色

的耐化學腐蝕性能和高溫穩定性。

設施水系統（FacilitiesWaterSystem）,冷源與CDU之間的水

FWS

系統，即一次側冷凍或冷卻水系統。

GF型氟橡膠是由氟化碳單體聚合而成，添加了玻璃纖維（Glass

GFFiber）增強劑的氟橡膠材料，玻璃纖維的添加可以增強氟橡膠

的強度和剛度，提高其耐磨損性和耐沖擊性。

圖形處理器（GraphicsProcessingUnit），是一種專門用于

GPU處理圖形和圖像的處理器。與CPU相比，GPU在圖形處理方面有

著更強大的計算和并行處理能力。

高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene），是一種常見的

HDPE

塑料材料。

氫化丁晴橡膠（HydrogenatedNitrileButadieneRubber），

是一種耐油性較高的橡膠材料，通過氫化處理增加了耐熱性和

HNBR

抗臭氧性能，被廣泛應用于涉及高溫、高壓和化學腐蝕環境下

的密封和橡膠制品。

環路工藝冷媒供回歧管（LoopCoolantManifold）用于向環路

LCM

內各支路分配工藝冷媒的裝置。

熔融指數（MeltFlowIndex），指熱塑性塑料在一定溫度和壓

MFI力下，熔體在10分鐘時間內通過測試器的小孔所流出的熔料重

量，單位是以克/10分鐘表示。

熔體質量流動速率(Melt-massFlowRate)，指熱塑性樹脂材料

MFR

分子平均尺寸和流動性能的一項指標。

丁晴橡膠（NitrileButadieneRubber），是一種常見的合成

NBR

橡膠材料。

開放計算項目（OpenComputerProject），它是由Facebook

OCP（更名為Meta）在2011年發起的，旨在通過共享設計和創新

來構建高效、節能的數據中心設備和硬件基礎架構。目前，OCP

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同ODCC、OPEN19并稱為全球三大開放計算組織。

聚酰胺塑料（Polyamide），具有良好的綜合性能，包括力學性

PA能、耐熱性、耐磨損性、耐化學藥品性和自潤滑性，且摩擦系

數低，有一定的阻燃性，易于加工。

PE聚乙烯(Polyethylene)，是一種常見的塑料材料。

聚醚醚酮（PolyetherEtherKetone），是一種高性能工程塑

PEEK

料，具有極高的熱穩定性、耐化學腐蝕性和機械強度。

交聯聚乙烯（Cross-LinkedPolyethylene），由聚乙烯分子經

PEX過交聯處理生成，交聯可以提高材料的強度、耐熱性和耐化學

腐蝕性，是一種常用的供水管道材料。

聚全氟丙烯（PerfluoroAlkoxy），是一種氟塑料，屬于全氟

聚合物的一種類型。它具有出色的化學穩定性、高溫耐性、電

PFA絕緣性和耐腐蝕性。它具有與PTFE類似的特性，但其可加工性

更好，通過熱塑性加工方法（如注塑或擠出）加工成管材、薄

膜、塊材和各種形狀的制品。

全氟聚醚（Perfluoropolyether），是一種特殊的氟化合物材

PFPE

料，具有出色的化學穩定性、熱穩定性和潤滑性能。

全氟甲基乙烯基醚（Perfluoromethylvinylether），是一種全

PMVE氟聚合物，具有出色的化學穩定性、高溫穩定性和電氣絕緣性

能。

PP聚丙烯(Polypropylene)，是一種常見的熱塑性聚合物。

均聚聚丙烯（PolypropyleneHomopolymer），相比PPR，具有

PPH

更高的剛性和強度，廣泛用于各種工業和建筑材料。

聚苯氧化物（PolyphenyleneOxide），是一種高性能工程塑

PPO料。它具有優異的耐熱性、電絕緣性、機械性能和化學穩定

性。

無規共聚聚丙烯（PolypropyleneRandom），相比PVC，具有

PPR

更高的耐熱性和耐化學腐蝕性能，廣泛用于家庭水管系統。

聚苯硫醚（PolyphenyleneSulfide），是一種高性能工程塑

PPS料。它具有優異的耐熱性、耐化學腐蝕性、機械強度和電絕緣

性能。

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聚苯砜(Polyphenylsulfone)，一種無定形的熱塑性工程塑料，

具有高度透明性、高水解穩定性，是所有高性能熱塑性塑膠中

PPSU最牢固的材料之一。該材料兼具強大的機械特性與耐熱和耐化

學性，因此非常適于通常負載較高和需接觸化學品的各種要求

嚴苛的應用。

聚砜（Polysulfone），是一種特定的高性能工程塑料，它具有

PSU高溫穩定性、機械強度、耐化學腐蝕性、電絕緣性和耐磨性等

特殊性能。

聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene)，也稱為特氟龍

TeflonTM，具有強抗腐蝕性，可以耐受包括王水在內的強酸強堿

PTFE

溶液；低摩擦系數，可用于軸承、墊片和密封環等高摩擦部

件；電絕緣性，可作為電纜絕緣材料。

能源利用效率（PowerUsageEffectiveness），是數據中心最

PUE重要的評價指標之一，定義為數據中心總耗電與IT設備耗電之

比。

聚氯乙烯(PolyvinylChloride)，是一種普遍使用的塑料，可

PVC以用于管道、電纜、地板、窗框等，但其耐高溫性能較差，會

釋放出揮發性化合物危害人類健康。

聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride），相比PTEF，其

PVDF剛性、硬度、電絕緣性、抗蠕變性能尤為突出，是最強韌的氟

材料。

快速接頭（QuickDisconnectCoupling），包括自鎖式快速接

QDC

頭（手插和盲插）、球閥式快速接頭。

機柜工藝冷媒供回歧管（RackCoolantManifold）用于向機柜

RCM

內各液冷冷板分配工藝冷媒的裝置。

二次側流體管路（SecondaryFluidNetworks），加拿大液冷

SFN

廠商CoolIT的命名方式，同LCM。

SUS是日本JIS（日本工業標準）中使用的不銹鋼材料標準的簡

SUS稱。在過去，日本的不銹鋼材料常常使用SUS作為牌號的前綴，

例如SUS304代表符合JISG4303標準的304不銹鋼。

靜止無功補償裝置（StaticVarCompensator），由電容器及

SVC各種電抗元件構成與系統并聯并向系統供應或從系統吸收無功

功率的裝置。

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工藝冷媒系統（TechnolgyCoolingSystem），冷板組件與CDU

TCS

之間的系統，即二次側系統。

熱設計功率（ThermalDesignPower），是處理器或顯卡等計

算機硬件熱設計的一個主要參數。TDP是指處理器或其他硬件在

TDP滿負荷工作情況下的最大熱量產生值，代表了CPU或其他實際使

用時的預計功耗極限，是散熱器的設計和選擇的重要參考依

據。

四氟乙烯（Tetrafluoroethylene），是一種無色、無味且具有

TFE

高度穩定性的氣體。

超高分子量聚乙烯（Ultra-HighMolecularWeight

Polyethylene），是一種特殊類型的聚乙烯，其分子量非常

UHMWPE高，通常達到數百萬至數千萬克/摩爾。它具有許多優異的性

能：高強度、高耐磨性、低摩擦系數、優異的耐化學性、良好

的電絕緣性和優異的高溫性能。

統一編號系統（UnifiedNumberingSystem），它是一種用于

材料和金屬標準化命名的編碼系統。它由SAE（Societyof

AutomotiveEngineers）、ASTM（AmericanSocietyfor

TestingandMaterials）和ASME（AmericanSocietyof

UNSMechanicalEngineers）等多個工程組織共同制定和管理的，

不受國籍、材料種類、制造方式、化學成分等因素限制的開放

式系統，在全球廣泛應用。它由一個字母和五個數字組成，字

母表示材料類型，數字表示材料化學成分、機械性能等相關參

數，便于跨國貿易。

用水效率（WaterUsageEffectiveness），是數據中心重要的

WUE評價指標之一，定義為數據中心總用水量與IT設備耗電量之

比，單位為L/kW·h。

AirCooling，與液冷相對應，以空氣為冷卻介質，通過CRAC或

空氣冷卻CRAH設備將機房內的空氣降溫至18～30℃左右的冷空氣，將服

務器產生的熱量轉移的過程。業內常被稱為“風冷”。

LiquidCooling或DirectLiquidCooling，液體冷卻的簡稱，

以液體為冷卻介質，通過CDU設備將進入服務器的工藝冷媒液體

降溫至17～45℃左右，將服務器產生的熱量全部或部分轉移的

液冷

過程。根據工藝冷媒是否與服務器接觸分為直接液冷和間接液

冷兩大類。直接液冷的液體一般是不導電的油類或者氟化物；

間接液冷的液體一般是去離子水，醇類溶液，還有氟化物。

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空氣冷卻和液體冷卻混合布置的機房或者機柜，空氣冷卻和液

氣液比冷功率（或發熱量）的大致設計比例，一般指冷板液冷服務

器。業內常被稱為“風液比”。

風冷冷卻（AirCooled）或風冷冷凝（AirCooled

風冷Condensation）的簡稱，一般指冷卻介質向空氣尤其室外空氣

轉移熱量的過程。

水冷冷凝（WaterCooledCondensation）的簡稱，一般指冷卻

水冷

介質通過冷卻水轉移熱量的過程。

PrimarySide，是指在間接熱交換過程中，提供熱量或冷量的

一次側一側。在液冷領域，以CDU的板式換熱器為界限，冷源側為一次

側。

SecondarySide，是指在間接熱交換過程中，熱量或冷量傳遞

二次側給待調節區域的一側。在液冷領域，以CDU的板式換熱器為界

限，服務器側為二次側。

TechnologyCoolingSystem，簡稱TCS，是指用于冷卻和保持

工藝冷媒系統電子設備運行溫度在可接受范圍內的系統。該系統即為二次側

所在系統，工藝冷媒即二次側冷卻液。

ApproachTemperature或MinimumDifferential

逼近溫度

Temperature，是指二次側供液溫度與一次側進水溫度之差。

模塊化數據中心的簡稱，ModularDataCenter（MDC），是指

完全按照模塊化設計思路搭建的可快速部署的數據中心模型，

數據中心內部由多個完全相同的微模塊（MicroModule）組

微模塊

成；微模塊則是以若干機架為基本單位，包含制冷模塊、供配

電模塊及網絡、布線、監控在內的獨立的運行單元，全部組件

可在工廠預制，并可靈活拆卸，快速組裝。

接液材料是指其表面與工藝冷媒直接接觸的材料，必須和工藝

接液材料冷媒具備兼容性，以將冷卻回路中潛在的腐蝕風險和泄漏風險

降至最低。

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三、冷板液冷介紹

（一）冷板液冷技術介紹

1.冷板液冷發展歷程

雖然液冷這個技術名詞是近代才出現的，但是液冷或者說用水

降溫這種生活方式，卻是與人類發展史緊密相伴的。用水降溫是動

物與生俱來的本領，人類還進一步利用液冷原理建造自然水冷建筑

“含涼殿”。

液冷技術并非從數據中心行業發展應用起來的，其最初的應用

是在機械加工行業，也就是18世紀第一次工業革命發明的機械加工

設備，使用水和油作為金屬加工液進行降溫。之后，19世紀第二次

工業革命將人類社會帶入電氣時代，尼古拉·特斯拉首次將液冷應

用于變壓器冷卻。20世紀開始進入電子時代，隨著科技的進步和制

作工藝的發展，高性能、高功率的電子元器件的冷卻要求不斷提高，

就需要選擇效率更高的液冷技術，理論上沸騰的熱水可以帶走的極

限熱量是2MW/cm2。1944年美國人高格勒提出熱管換熱器概念，它是

一種不附加任何動力，可以使冷凝的液體依靠吸液芯克服重力再回

到上方，達到熱量從一個地點傳動到另一個地點目的的傳熱器件。

經過熱管技術的演進，閉合管路的冷板始于航天設備的應用，冷板

的叫法據說來自20世紀60年代的美國阿波羅登月計劃，登月設備中

液冷已經廣泛應用于高精度電子器件的冷卻。[1]

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液冷技術首次在計算機上得到正式使用是在1951年，人類歷史

上第一臺商用電子計算機UNIVACI采用了水冷裝置。之后的幾十年，

液冷技術的發展應用是曲折的，主要跟計算機性能需求和芯片技術

發展緊密相關。1966年，IBM推出了System360大型計算機，這款計

算機是當時運算速度最快、性能最強的機器，主要用于科學應用領

域的高速數據處理（比如太空探索、亞原子物理學、全球氣候預測

等）。為確保該大型機在高速運算中不會發生過熱宕機，IBM首度開

發了用水冷卻的液冷系統。但在隨后的幾十年，由于在較低熱負荷

時空氣冷卻成本更低、安裝部署更為簡單，液冷技術并未被重視。

直到20世紀80年代，計算機性能飛速提升，為了滿足散熱的需要，

空氣冷卻和液冷融合的氣液混合系統開始出現，甚至有一段時間多

種芯片級液冷技術得到深度應用并走向成熟。20世紀90年代，晶體

管新技術的應用，推動著大型計算機和超級計算機芯片的功耗和熱

量斷崖式下跌，散熱又重新回到空氣冷卻的模式。21世紀初，隨著

數據中心應用規模的快速提升，液冷技術又一次步入發展的快車道。

2008年，IBM對外發布基于Power6處理器的液冷超級計算機節點

Power575,其在微處理器模塊上使用了冷板液冷，使服務器工作溫

度降低了至少20℃。Power575液冷系統通過采用模塊化的設計和快

速連接接頭的應用，尤其在系統側和設備側采用全流量互鎖式快接，

可以實現快速簡單的連接和斷開。

國內隨著信息技術賦能千行百業，數據中心能耗和芯片散熱問

題也得到重視，國家和地方出臺了一系列數據中心能效水平限值要

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求，如國家工信部規定新建大型、超大型數據中心PUE不超過1.3。

液冷技術在國內有了迅速成長壯大的土壤，國內如曙光、華為、浪

潮、聯想、新華三和中興通訊等代表性廠商已經紛紛推出了系列液

冷產品。中科曙光最早于2015年推出國內首款標準化量產的冷板液

冷服務器，同年，中科院大氣物理研究所的“地球數值模擬裝置原

型系統”率先使用冷板液冷服務器，大大提高散熱效率，也成為國

內液冷服務器大規模使用的第一個公開案例，該系統并于2017年上

榜當年全球高性能計算機（HPC）TOP500榜單。冷板液冷因對現有服

務器芯片組件及附屬部件改動量較小，可操作性更強，成為目前國

內成熟度最高、應用最廣泛的液冷散熱方案。隨著國內主流服務器

廠商紛紛推出冷板液冷服務器產品，液冷技術開始逐步走向成熟并

開始批量化、規模化使用。

2.冷板液冷技術原理

傳統空氣冷卻方式以空氣為介質進行散熱，通過送入低溫空氣、

經與電子器件進行熱交換后，將其熱量帶走。液冷方式則以液體為

介質進行散熱，只需提供中溫液體即可滿足元器件散熱需求，比空

氣冷卻方式散熱效率更高，也更加節能（如圖3-1所示）。

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圖3-1空氣冷卻及液冷工作原理

冷板液冷技術是目前最為成熟、應用最為廣泛的液冷散熱方式。

冷板液冷技術是指通過冷板（通常為銅、鋁等導熱金屬構成的封閉

腔體）將發熱器件的熱量間接傳遞給在封閉的循環管路中的冷卻液

體，通過冷卻液體將熱量帶走的冷卻形式[2]。冷板液冷技術利用工

藝冷媒作為中間熱量傳輸的媒介，將熱量由熱區傳遞到遠端后再進

行冷卻。在該技術中，工藝冷媒與被冷卻對象分離，工藝冷媒不與

電子器件直接接觸，而是通過冷板等高效熱傳導部件將冷卻對象的

熱量傳遞到工藝冷媒中，因此冷板液冷技術又稱為間接液冷技術。

冷板液冷技術相較于傳統空氣冷卻技術，不需改變現有服務器

的形態，使用、維護等方面與現有服務器也較為接近。冷板液冷系

統工作原理如圖3-2所示，冷板液冷是將服務器內的主要散熱元器件

CPU、GPU、內存等產生的熱量通過與冷板內的液體進行熱交換并帶

出服務器，這一部分的熱量占服務器總熱量的50%-80%，剩余少部分

的熱量采用空氣冷卻，通過空氣與服務器進行熱交換。冷板液冷系

統中的二次側的中高溫液體帶走服務器的熱量，流經CDU，傳遞給一

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次側冷卻水，并通過冷源設備將熱量傳遞到室外空氣，這一過程中

的主要動力裝置為循環水泵以及冷源設備的風機。

圖3-2冷板液冷系統原理示意圖

3.冷板液冷技術特點

冷板液冷方案一般具備以下特點：

（1）高效散熱：液體的體積比熱容是空氣的1000-3500倍，意

味著冷卻液體可以吸收大量熱量而不會顯著升高溫度；液體的對流

換熱系數是空氣的10-40倍，同等空間情況液冷的冷卻能力遠高于空

氣；由液冷冷板套件替代CPU原散熱套件，通過工藝冷媒在冷板中的

強制對流，有效地將熱量從設備中快速地帶走，散熱效率得到大幅

提升。

（2）高TDP方案：當CPU芯片TDP超過350W時，冷板液冷成為少

數的解決方案（圖3-3）。

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圖3-3TDP變化與冷卻方式的演進[3]

（3）精確制冷：冷板套件直達服務器內部，實現更為高效的部

件級精確制冷，CPU核溫低至65℃左右，使元器件在更穩定更合適的

溫度下工作，可靠性更高。

（4）支持高功率部署：冷板液冷技術散熱效率更高，可支持單

機柜功率高達60kW的部署需求，同時降低占地成本。

（5）兼容性優：在不改變目前服務器主板的情況下即可實現，

拆卸簡單，安裝方便。相比其他液冷技術，對機房的要求較低，與

現有機房的兼容性優。冷板液冷可實現液冷微模塊的形式，可實現

與現有空氣冷卻服務器的兼容使用。在系統上，相比其他液冷技術，

空氣冷卻改造液冷更為方便，可參見本文第六章第（三）節第1小節。

（6）維護簡便：服務器與機柜的連接采用快速接頭，服務器上

下架可實現冷卻系統在線插拔，不影響其他服務器正常運行。另外，

保留了原有服務器的形態及維護方式，不影響客戶使用習慣。

（7）生態更成熟：冷板液冷是液冷技術中應用最早，也是最為

成熟的技術，同時，其產業鏈生態更成熟。

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（8）支持定制：可根據特定的電子元件，考慮組件的尺寸、形

狀和散熱要求，可優化工藝冷媒通過冷板的流動路徑、增加翅片等

手段以降低熱阻（圖3-4）。

圖3-4某強化對流換熱定制開發冷板CFD分析

（9）支持超頻：由于服務器的運行溫度更低，可允許服務器超

頻運行，提升服務器算力挖潛。

（10）更加節能：整個冷卻系統采用中高溫水作為冷卻介質，

不同于靠低溫水或空氣進行散熱，從而大大降低了冷卻系統能耗，

可充分利用自然冷源，冷板液冷CLF可低至0.1以下，比傳統空氣冷

卻機房節能20%以上。

（11）支持余熱回收：一次側回水溫度約為38℃-45℃，雖屬于

低品位余熱，但考慮到數據中心規模體量巨大，其產生的余熱量可

觀且穩定、持續。因此可依據余熱利用場景靈活選擇設置，如辦公

及生活供暖、泳池加熱、設施農業溫室供熱等方式就近消納余熱資

源。

（12）冷媒易獲得：相比其它液冷技術，冷板液冷通常采用乙

二醇或丙二醇等水基溶液作為工藝冷媒，具有容易獲取的優點。

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4.冷板液冷關鍵技術

冷板液冷技術的關鍵技術包括以下幾點：

（1）冷板設計：冷板的設計對冷卻系統至關重要。冷板必須與

電子元器件保持良好的熱接觸，這樣熱量才能快速有效地從元器件

傳遞到冷板。冷板流道通過機械加工、鏟齒、擠壓、鍛壓等工藝加

工，密封采用攪拌摩擦焊、真空釬焊、氣體保護焊等工藝焊接，需

要具有良好的密封性。此外，冷板內通道流量大小、水阻和布局方

式對散熱效果起著至關重要的作用。

（2）工藝冷媒的選擇和水質管理：冷板液冷系統中使用的液體

冷卻劑通常是去離子水、乙二醇或丙二醇等水基溶液。去離子水會

添加適當的藥劑來抑制細菌滋生并減緩金屬腐蝕。工藝冷媒須慎重

選擇，以保證與接液材料的兼容性。工藝冷媒必須具有良好的比熱

容、流動特性和低粘度，以確保有效的熱傳遞。同時，需要對水基

的工藝冷媒進行定期的水質監測和分析。近兩年，陸續出現了氟化

物代替水基溶液作為工藝冷媒進行冷卻，詳見本文6.2。除6.2外，

本文其它章節所涉及工藝冷媒均基于水基溶液進行設計和介紹，特

此說明。

（3）RC