液冷冷却技术

大规模人工智能训练、推理集群以及性能日益强大的GPU的出现，从根本上改变了现代数据中心的散热格局。风冷系统越来越接近其散热极限——环境温度升高会导致降频、性能下降和硬件寿命缩短。大量能源并非用于计算，而是消耗在空气循环和运行冷却器上，即计算能力受限于散热能力。

液冷技术凭借液体远胜于空气的比热容和导热性，正迅速从小众技术走向主流，是提高密度、降低电源使用效率（PUE），并显著降低运营成本的战略手段。

液冷冷却是一种利用液体作为冷却介质，直接或间接地将IT设备（主要是CPU、GPU等发热芯片）产生的热量带走的散热技术。其核心原理基于：液体的导热能力和比热容远高于空气。水的导热系数是空气的25倍，在相同体积下，液体能带走的热量是空气的数千倍。

此外，液体可通过管道、冷板直接接触CPU、GPU等高热芯片，避免风冷的“隔山打牛”。液冷技术省去了大量高转速风扇，噪音暴降，同时泵的能耗远低于同等散热需求的风扇系统。

表1 风冷vs液冷的关键差异

◾ 液冷系统的核心组成

1. 冷板/浸没槽/喷淋头：与发热元件直接或间接接触的关键换热部件。

   
   

2. 冷却液分配单元（CDU）：液冷系统的“心脏”，由循环泵、热交换器、过滤器和控制单元等组成，负责冷却液的分配和循环。

   
   

3. 冷却液：系统的“血液”。不同技术路径使用不同的冷却介质：

☑ 冷板式：多使用去离子水、乙二醇水溶液

☑ 浸没式/喷淋式：需使用绝缘冷却液，如矿物油、氟化液等介电流体

4. 管路与连接系统：输送冷却液的“血管”，包括快速接头、分配器等。

   
   

5. 热交换系统：将热量最终排到外界的装置，如冷却塔、干冷器等。

   
   

6. 监控管理系统：系统的“大脑”，实时监控流量、温度、压力等参数，确保稳定运行。
   

◾ 液冷系统常用冷却液

液冷常用的冷却液有水、矿物油和氟化液。

1. 水是一种优秀的散热媒介，价格低廉无污染，有良好的比热容，但由于水并非绝缘体，只能应用于非直接接触型液冷技术中。

   
   

2. 矿物油是价格相对低廉的绝缘冷却液，单相矿物油无味无毒不易挥发，是一种环境友好型介质，但是矿物油粘性较高比较容易残留，特定条件下有燃烧的风险。

   
   

3. 氟化液具有绝缘且不燃的惰性特点，不会对设备造成任何影响，是目前应用中最理想最广泛的浸没式冷却液，但价格较为昂贵。

按照液体与发热器件的接触方式，大致分为冷板式（间接接触）、喷淋式和全浸没式（直接接触）。

冷板式液冷数据中心

冷板式液冷是一种间接接触型液冷技术，通过安装在发热元件（如CPU、GPU）上的金属板（冷板）将热量传递给在封闭管路中循环的冷却液体。冷却液流经冷板内部通道吸收热量，然后通过循环管路将热量带至外部热交换器散发。

◾ 常规冷板液冷方案

这种技术仅针对核心发热部件散热。冷板的板面温度较高，辐射板的制冷能力很低，高温水辐射板不能独立运行，只能和机房空调配合使用，如采用冷板液冷+列间空调设计，服务器中约60-80%的热量由液冷带走，剩余部分仍需传    统风冷辅助散热，因此被称为混合冷却方案。

◾ 全液冷方案

这种方案不再使用机房空调，服务器剩余20%~40%继续使用液冷来带走，比如在服务器后面设置液冷背板，或者液冷风墙；这种情况下，冷板式液冷带走60-80%的热量，剩余约20%~40%冷量通过液冷背板带走，相比常规方案，可以增加机柜数量，但相应的管网和冷却系统会更复杂。

冷板式液冷技术原理图

喷淋式液冷数据中心

喷淋式液冷是一种基于单相流体的直接接触式冷却技术。与常见的冷板式液冷（通过金属冷板间接传导热量）不同，喷淋式采用开放式流动方式，让冷却液直接覆盖发热元件表面。

系统采用矿物油等不导电、低腐蚀性的介电流体，通过精密设计的喷淋模块，从服务器机箱顶部向发热组件进行定向喷洒。冷却液与芯片表面及散热器直接接触，通过对流换热吸收热量。升温后的冷却液依靠重力作用汇集至机箱底部的收集槽，通过回流管道输送至热交换器进行冷却，完成闭合循环。

浸没式液冷数据中心

全浸没液冷是将服务器或者发热元件直接浸没在冷却液中，依靠液体的流动循环带走服务器等设备运行产生的热量。浸没式液冷是典型的直接接触型液冷。浸没式液冷由于发热元件与冷却液直接接触，散热效率更高，相对于冷板式和喷淋液冷，噪音更低，能解决单机柜15KW以上等高热密度机柜的散热问题。

浸没式分为两相液冷和单相液冷，散热方式可以采用干冷器和冷却塔等形式。

◾ 单相浸没液冷

冷却液在散热过程中始终保持液态，仅通过温度升高吸收热量。升高的冷却液进入到板换重新冷却完成循环；单相液冷要求冷却液的沸点较高，这样冷却液挥发流失控制相对简单，与IT设备的元器件兼容性比较好，不需要频繁补充冷却液；但相对于两相液冷其效率较低，为了提升效率，一般需要采用冷却塔散热。

◾ 相变浸没液冷

冷却液吸收热量后发生液-气相变，利用汽化潜热传递热量，冷凝后重新回流利用。此过程中，水的温度不需要太低，采用干冷却器就可以满足换热的要求，把热量带走，相变浸没液冷由于电子冷却液发生了相变，所以传热效率很高；不利的是相变过程中电子氟化液蒸发为气态过程中会发生逃逸，所以对容器的密封性有一定的要求；但是又不能太密封，防止冷却系统中断出现爆缸事件，所以需要设置一定的安全设施。

表2  三种液冷技术全方位对比

针对不同规模的数据中心，液冷CDU提供了多样化的温度控制方案。

◾ 小型数据中心

其设备数量和负载变化相对稳定，因此可以采取简单直观的温度控制方法，如手动调节冷却液流量或设定固定的温度范围，以维持适当的进出水温差。

◾ 中型数据中心

则面临更复杂的设备类型和负载情况，这时可以借助智能控制系统，依据实时监测的设备温度、湿度等数据，动态调整各CDU的进出水温度和流量。

◾ 大型数据中心

由于其内部往往部署了多种高功率密度设备，且负载波动较大，因此需要采用更加高效和灵活的冷却策略。一种可行的方案是采用分布式的CDU布局，允许根据各区域的负载情况独立调整进出水温度和流量，从而确保整个数据中心的冷却效果始终保持稳定。

液冷冷却技术不仅是散热方式的改变，更是数据中心基础设施的一次深刻变革。它让我们能够突破算力密度的天花板，大幅降低能源消耗和碳排放，为建设“双碳”目标下的新型绿色数据中心提供了关键支撑。未来，随着高密度算力成为常态，液冷将不再只是“黑科技”，而会成为数据中心的“标配”。