服務器液冷技術和風冷技術的區(qū)別分析

我國液冷技術起步稍晚于國外，但起步后發(fā)展迅速，后期與國外發(fā)展進程基本同步，并且在液冷規(guī)模試點應用方面積累了豐富經驗。根據中國液冷數(shù)據中心發(fā)展白皮書?，2017年，華為推出FusionServer液冷解決方案；2018年，阿里巴巴在其自建的張北數(shù)據中心部署浸沒式液冷系統(tǒng)；2019年，中科曙光實現(xiàn)了全球首個“刀片式浸沒相變液冷技術”的大規(guī)模部署，其單機柜功率密度達160kW，TC4600E-LP液冷刀片服務器液冷部分PUE低于1.1。

服務器的冷卻方式分為風冷技術和液冷技術兩種，風冷技術使用空氣作為冷媒，通過空氣與發(fā)熱部件接觸換熱實現(xiàn)散熱的冷卻方式；而液冷技術則是以液體作為冷媒的冷卻方式，利用液體將數(shù)據中心IT設備內部元器件產生的熱量傳遞到設備外，從而冷卻IT設備。

針對液冷技術，按照液體與發(fā)熱器件的接觸方式,大致分為冷板式(間接接觸)、噴淋式和全浸沒式(直接接觸)。冷板式是將液冷冷板固定在服務器的主要發(fā)熱器件上,依靠流經冷板的液體將熱量帶走達到散熱目的；噴淋式液冷是在機箱頂部儲液和開孔,讓冷卻液對發(fā)熱體進行噴淋,達到設備冷卻的目的；浸沒式液冷是將發(fā)熱元件直接浸沒在冷卻液中,依靠液體的流動循環(huán)帶走服務器等設備運行產生的熱量。

針對不同的應用場景，液冷技術相對于風冷技術存在以下優(yōu)劣勢：散熱效率方面，液冷技術的散熱效率高于風冷技術，有利于將熱量傳遞到設備外；適應環(huán)境方面，相比風冷散熱，液冷散熱技術可以適應多粉塵等惡劣場景，有效避免充電模塊故障率高和噪音大的問題；噪音方面，相比風冷散熱，液冷散熱技術沒有風扇，噪音更低；能源效率方面，液冷技術相比風冷技術能夠更好地降低PUE值，從而達到節(jié)能減排的目的。

AI新階段算力需求大幅提升：隨著AIGC的不斷發(fā)展，大模型所需要的參數(shù)和訓練數(shù)據量和深度學習時期相比，有了數(shù)量級的提升。奇異摩爾產品及解決方案副總裁?？|表示：以GPT-3為例，1750億的模型參數(shù)，45TB的訓練數(shù)據集，是之前的10倍以上。算力需求的持續(xù)擴大需要相關硬件的完善，從而加快數(shù)據中心的建設落地，而液冷設備作為數(shù)據中心的基礎配套設施，其需求量會隨之提升。

今年以來，AI的發(fā)展迎來了一個小高潮，先是ChatGPT登陸蘋果商店，成為了史上突破百萬用戶最快的應用程序；之后谷歌、華為、百度、科大訊飛等紛紛推出自己的大語言模型；其次Apple Vision Pro的強勢推出標志著正式進入空間計算時代；而在剛剛過去的英偉達COMPUTEX 2023大會上，超級計算機GH200的全面量產又無疑為AI的持續(xù)發(fā)展提供了強勁的硬件支持。

在新工業(yè)革命的背景下，大數(shù)據、算力、算法等快速迭代，正驅動人工智能進入新階段，這也推動著AI架構不斷革新，得益于此，AI服務器規(guī)模不斷擴大，集群數(shù)量不斷增多。目前架構類型主要分為三種：中小型、中型和大型，分別對應的集群規(guī)模是1000臺、2000臺、2000—18000臺。據華經產業(yè)研究院統(tǒng)計，2020年全球AI服務器市場規(guī)模為122億美元，預計到2025年全球AI智能服務器市場將達到288億美元，5年CAGR達到18.8%。

服務器的應用場景和大數(shù)據中心密不可分，服務器是大數(shù)據中心的重要組成部分，據前瞻產業(yè)研究院測算。服務器在數(shù)據中心建設中的占比高達69%。在高算力需求下，數(shù)據中心規(guī)模不斷擴大，進而提高服務器的整體需求。

據中國信通院數(shù)據，我國數(shù)據中心市場規(guī)模在2021年達到1500億元左右，近三年年均復合增速達到30.69%。隨著我國各地區(qū)各行業(yè)數(shù)字化轉型的深入，我國數(shù)據中心規(guī)模將保持持續(xù)增長態(tài)勢，預計在2023年將達到2470億元。

截至2022年4月，我國數(shù)據中心行業(yè)市場集中度較高，以三大電信運營商為主。憑借其網絡帶寬和機房資源優(yōu)勢，三大電信運營商市場份額占比超60%，其中中國電信市場份額為34%，中國聯(lián)通市場份額為18%，中國移動市場份額為10%。

目前發(fā)展的散熱冷卻技術主要有風冷和液冷兩大類，其中風冷包括自然風冷和強制風冷，適用的機柜功率密度較低；液冷分為單相液冷和相變液冷。散熱冷卻系統(tǒng)所采用的冷卻介質、冷卻方式不同，移熱速率差距大。傳統(tǒng)風冷最高可冷卻30 kW/r的機柜，對于30 kW/r以上功率密度的機柜無法做到產熱與移熱速率匹配，會使機柜溫度不斷升高導致算力下降甚至損害設備。因此，在機柜功率密度不斷提高的大數(shù)據時代，要求散熱冷卻設備及方式的不斷創(chuàng)新，提升移熱速率。

液冷利用液體的高導熱、高傳熱特性，在進一步縮短傳熱路徑的同時充分利用自然冷源，實現(xiàn)PUE小于1.25的極佳節(jié)能效果。由此可見，液冷的制冷效率更高更適合高功率數(shù)據中心，液冷或成必選項。

根據中國信通網，冷板式液冷產品相關企業(yè)包括：谷歌、IBM、中科曙光、騰訊、百度、京東、華為等；浸沒式液冷產品相關企業(yè)包括：Facebook、英特爾、微軟、中科曙光、阿里巴巴、施耐德、3M、高瀾、英維克、維諦技術等；噴淋式液冷產品相關企業(yè)包括：長城、廣東合一。

從液冷數(shù)據中心基礎設施產品的比例來看，冷板式液冷仍是行業(yè)主流方案，浸沒式液冷數(shù)據中心基礎設施比例將逐步提升。根據賽迪顧問數(shù)據，2019年冷板式液冷產品和浸沒式液冷產品在市場上的占比分別為82%和18%。冷板式液冷技術發(fā)展較早，目前冷板式液冷數(shù)據中心產品在市場上占比較高，但浸沒式液冷是直接接觸的制冷方式，相較于冷板式液冷，更大程度上利用液體的比熱容特點，制冷效率更高，可有效降低數(shù)據中心PUE。

根據觀研報告網發(fā)布的《中國液冷設備行業(yè)發(fā)展趨勢研究與未來投資分析報告（2023-2030年）》顯示，在市場競爭方面，由于國內外數(shù)據中心基礎設施廠商液冷技術普及率較低，市場參與者較少，尚未形成較強龍頭，市場競爭格局未定，同時在加上我國對數(shù)據安全具有嚴格的保護政策，國外企業(yè)進入困難。目前，我國液冷設備行業(yè)內具有競爭性的企業(yè)主要有華為、阿里巴巴、聯(lián)想、浪潮信息、廣東合一、戴爾中國等，其中中科曙光、華為、阿里和聯(lián)想處于市場領導者地位。

2023年6月5日，IDC發(fā)布的《中國半年度液冷服務器市場（2022下半年）跟蹤》報告顯示：2022 年中國液冷服務器市場規(guī)模達到 10.1 億美元（71.8 億元人民幣），同比增長 189.9%。從廠商銷售額角度看，浪潮、超聚變、寧暢位居前三，占據了七成左右的市場份額。 ?

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