AI驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)革新 | 芯片散熱從風(fēng)冷到液冷

一、芯片散熱概覽：功耗升級(jí)、散熱技術(shù)持續(xù)革新

電子設(shè)備發(fā)熱的本質(zhì)原因就是工作能量轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程。散熱是為解決高性能計(jì)算設(shè)備中的熱管理問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，它們通過(guò)直接在芯片或處理器表面移除熱量來(lái)優(yōu)化設(shè)備性能并延長(zhǎng)使用壽命。隨著芯片功耗的提升，散熱技術(shù)從一維熱管的線式均溫，到二維VC的平面均溫，發(fā)展到三維的一體式均溫，即3D VC技術(shù)路徑，最后發(fā)展到液冷技術(shù)。

二、主要散熱技術(shù)：從風(fēng)冷到液冷，冷板到浸沒(méi)式

散熱技術(shù)包括風(fēng)冷與液冷兩類。風(fēng)冷技術(shù)中，熱管與VC的散熱能力較低，3D VC散熱上限擴(kuò)至1000W，均需搭配風(fēng)扇進(jìn)行散熱，技術(shù)簡(jiǎn)單、便宜，

適用于大多數(shù)設(shè)備。液冷技術(shù)具備更高散熱效率，包括冷板式與浸沒(méi)式兩類，其中冷板式為間接冷卻，初始投資中等，運(yùn)維成本較低，相對(duì)成熟，英偉達(dá)GB200 NVL72采用冷板式液冷解決方案；浸沒(méi)式為直接冷卻，技術(shù)要求較高，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高，曙光數(shù)創(chuàng)研發(fā)“1拖2”雙相浸沒(méi)液冷結(jié)構(gòu)。

三、性能+TCO多重驅(qū)動(dòng)，散熱市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)向上

AI大模型訓(xùn)推對(duì)芯片算力提出更高要求，提升單芯片功耗。芯片溫度影響性能，當(dāng)芯片工作溫度近70-80℃ 時(shí)，溫度每升高2℃，芯片性能會(huì)降低約

10%，故單芯片功耗增長(zhǎng)進(jìn)一步提升散熱需求。此外，英偉達(dá)B200功耗超1000W、接近風(fēng)冷散熱上限；“雙碳”+東數(shù)西算等政策嚴(yán)格數(shù)據(jù)中心PUE要求，液冷平均PUE低于風(fēng)冷；TCO方面，相比風(fēng)冷，冷板液冷的初始投資成本接近風(fēng)冷，并且后續(xù)運(yùn)行成本更低。

1.1 芯片散熱起源：電子設(shè)備發(fā)熱的本質(zhì)是工作能量轉(zhuǎn)成熱能

● 電子設(shè)備發(fā)熱的本質(zhì)原因就是工作能量轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程。芯片作為電子設(shè)備的核心部件，其基本工作原理是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為各 種功能信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?。而芯片在完成這些功能的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這是因?yàn)殡娮有盘?hào)的傳輸 會(huì)伴隨電阻、電容、電感等能量損耗，這些損耗會(huì)被轉(zhuǎn)化為熱能。

● 溫度過(guò)高會(huì)影響電子設(shè)備工作性能，甚至導(dǎo)致電子設(shè)備損壞。據(jù)《電子芯片散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景》，如對(duì)于穩(wěn)定持續(xù) 工作的電子芯片，最高溫度不能超過(guò)85 ℃，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致芯片損壞。

● 散熱技術(shù)需要持續(xù)升級(jí)，來(lái)控制電子設(shè)備的運(yùn)行溫度。芯片性能持續(xù)發(fā)展，這提升了芯片功耗，也對(duì)散熱技術(shù)提出了更高的要求。此外，AI大模型的訓(xùn)練與推理需求，要求AI芯片的單卡算力提升，有望進(jìn)一步打開(kāi)先進(jìn)散熱技術(shù)的成長(zhǎng)空間。

來(lái)源：CSDN，各公司官網(wǎng)，國(guó)海證券研究

1.2 散熱技術(shù)原理：電子設(shè)備發(fā)熱的本質(zhì)是工作能量轉(zhuǎn)成熱能

資料來(lái)源：雙鴻公告，飛榮達(dá)官網(wǎng)，國(guó)海證券研究所

資料來(lái)源：uanalyze，國(guó)海證券研究所

1.3 芯片散熱革新：浸沒(méi)式散熱效果好，冷板式更為成熟

根據(jù)ODCC《冷板液冷服務(wù)器設(shè)計(jì)白皮書(shū)》，綜合考量初始投資成本、可維護(hù)性、PUE 效果以及產(chǎn)業(yè)成熟度等 因素，冷板式和單相浸沒(méi)式相較其他液冷技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前業(yè)界的主流解決方案。

資料來(lái)源：《冷板液冷服務(wù)器設(shè)計(jì)白皮書(shū)》，國(guó)海證券研究

2.1.1 熱管：高效傳熱器件，適用大功率和空間小場(chǎng)景

來(lái)源：分析測(cè)試百科網(wǎng)，Tom's Hardware，蘭洋科技，國(guó)海證券研究

2.1.2 VC：相比熱管，具備更高的導(dǎo)熱效率與靈活性

VC均溫板，全稱為Vapor Chamber，即真空腔均熱板散熱技術(shù)，是一種比熱管更先進(jìn)、更高效的導(dǎo)熱元件， 尤其在處理高密度電子設(shè)備的熱管理問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出色。

相比熱管，VC的導(dǎo)熱效率與靈活度更強(qiáng)。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401W/m.k，熱管可以達(dá)到5000~8000 W/m?k，而均 熱板則可以達(dá)到20000~10000W/m?k，甚至更高。熱管是一維導(dǎo)熱，受其形狀顯示。而均熱板形狀則不受限制， 可以根據(jù)芯片的布局，設(shè)計(jì)任意形狀，甚至可以兼容處于不同高度的多個(gè)熱源的散熱。

2.1.2 3D VC：具備高效散熱、均勻溫度分布、減少熱點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

● 3D VC（三維兩相均溫技術(shù)）：是利用熱管與均溫板蒸汽腔體貫通的散熱技術(shù)。

● 3D VC具有“高效散熱、均勻溫度分布、減少熱點(diǎn)”等解熱優(yōu)勢(shì)，可滿足大功率器件解熱、高熱流密度區(qū)域均溫的瓶頸需求，也 可以保證獲得更強(qiáng)的超頻性能以及超頻后的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

● 對(duì)比熱管/均溫板間導(dǎo)熱，是把熱量傳遞至二次組裝的多根熱管/均溫板，存在接觸熱阻以及銅本身的熱阻；而3D VC通過(guò)三維結(jié) 構(gòu)連通下，內(nèi)部液體相變、熱擴(kuò)散，直接、高效地將芯片熱量傳遞至齒片遠(yuǎn)端散熱。

2.1.3 風(fēng)扇：與熱管/3DVC/冷管等組合使用

2.1.4 機(jī)房空調(diào)：水冷空調(diào)相對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)制冷效果好

來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，LEDC，制冷百科，國(guó)海證券研究所

2.1.4 機(jī)房空調(diào)：氟泵系統(tǒng)與間接蒸發(fā)系統(tǒng)較為穩(wěn)定

● 氟泵系統(tǒng)：一種用于制冷和空調(diào)設(shè)備中的循環(huán)系統(tǒng)，它通過(guò)泵送氟利昂或其它制冷劑來(lái)傳遞熱量。主要優(yōu)點(diǎn)是可以精確控制制冷 劑的流量和壓力，從而提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

● 間接蒸發(fā)系統(tǒng)：是一種利用水蒸發(fā)吸熱原理來(lái)降低空氣溫度的空調(diào)系統(tǒng)，它與直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)不同之處在于，冷卻的空氣與蒸 發(fā)的水不直接接觸。這種設(shè)計(jì)可以提供比直接蒸發(fā)冷卻更為清潔和干燥的空氣，適用于對(duì)濕度和空氣質(zhì)量有特殊要求的環(huán)境。

來(lái)源：制冷百科，凱德利

2.2 液冷：冷板式與浸沒(méi)式液冷為主

● 服務(wù)器液冷分為直接冷卻和間接冷卻，直接冷卻以浸沒(méi)式為主，間接冷卻以冷板式為主。

● 冷板式液冷的冷卻液不與服務(wù)器元器件直接接觸，而是通過(guò)冷板進(jìn)行換熱，所以稱之為間接液冷。依據(jù)冷卻液在 冷板中是否發(fā)生相變，分為單相冷板式液冷及兩相冷板式液冷。

● 浸沒(méi)式液冷是將整個(gè)服務(wù)器或其組件直接浸入液體冷卻劑中的冷卻方式

來(lái)源：《冷板液冷標(biāo)準(zhǔn)化及技術(shù)優(yōu)化白皮書(shū)》等

2.2.1 冷板式液冷：需改造服務(wù)器，滲透率逐漸提升

2.2.1 冷板式液冷：英偉達(dá)GB200 NVL72使用冷板式液冷結(jié)構(gòu)

2.2.2 浸沒(méi)式液冷：液體浸泡服務(wù)器整體，技術(shù)要求高

2.2.2 單相浸沒(méi)：實(shí)現(xiàn)服務(wù)器全液冷，技術(shù)難度較高

● 單相浸沒(méi)液冷機(jī)柜：是將液冷服務(wù)器內(nèi)置于Tank內(nèi)部，CDU與Tank之間由管道鏈接，下部管道輸送低溫冷卻介質(zhì)到tank內(nèi)，液 冷介質(zhì)吸收了液冷服務(wù)器的熱量，溫度上升后流回CDU，熱量由CDU帶走。此種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的全液冷，無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)使 功率密度更高，相比風(fēng)冷PUE更低。但技術(shù)難度較高，滲透率相對(duì)較低。

● 阿里云布局浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)：2016年，阿里云發(fā)布首套浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)，于2017年完成浸沒(méi)式液冷集群構(gòu)建；2018年，建成首 個(gè)互聯(lián)網(wǎng)液冷數(shù)據(jù)中心；2020年，打造中國(guó)最大規(guī)模的單相浸沒(méi)式液冷數(shù)據(jù)中心暨全國(guó)首座5A級(jí)綠色液冷數(shù)據(jù)中心。

來(lái)源：Intel官網(wǎng)，《綠色節(jié)能液冷數(shù)據(jù)中心白皮書(shū)》，國(guó)海證券研究

2.2.2 雙相浸沒(méi)：技術(shù)要求較高，可大幅提升系統(tǒng)功率密度

● 雙相浸沒(méi)液冷服務(wù)器結(jié)構(gòu)（以曙光數(shù)創(chuàng)技術(shù)為例）：

● 1）“1拖2”單元結(jié)構(gòu)：由中間CDM液冷柜和左右兩側(cè)計(jì)算機(jī)柜構(gòu)成。兩側(cè)機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器產(chǎn)生的熱量由中間CDM液冷機(jī)柜帶走。中間液冷柜內(nèi)集成CDM、循環(huán)管路等系統(tǒng)。此種結(jié)構(gòu)可以大幅度提升系統(tǒng)功率密度，降低數(shù)據(jù)中心建設(shè)難度。

● 2）刀片式相變浸沒(méi)腔：獨(dú)立可插拔設(shè)計(jì)，完全解耦節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的熱循環(huán)路徑，使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行獨(dú)立的插拔，方 便用戶對(duì)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬件升級(jí)或維護(hù)。

● 3）芯片強(qiáng)化沸騰散熱設(shè)計(jì)：由于服務(wù)器內(nèi)主芯片功率較高，芯片表面需要進(jìn)行強(qiáng)化沸騰處理，以增加其表面的氣化核心，增強(qiáng) 相變換熱效率。曙光數(shù)創(chuàng)的浸沒(méi)相變液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品對(duì)芯片采用了強(qiáng)化沸騰封裝的方式，換熱區(qū)域采用高密翅片來(lái)強(qiáng) 化沸騰界面的沸騰換熱，最高可實(shí)現(xiàn)100W/c㎡以上的散熱密度。

來(lái)源：《綠色節(jié)能液冷數(shù)據(jù)中心白皮書(shū)

AI算力發(fā)展與政策PUE等驅(qū)動(dòng)下，芯片級(jí)散熱將從熱管/VC轉(zhuǎn)向更高效的3DVC與冷板，芯片級(jí)散熱有望打開(kāi)成長(zhǎng)空間、迎量?jī)r(jià)齊升。

相關(guān)公司

1）芯片散熱：曙光數(shù)創(chuàng)、飛榮達(dá)、中航光電、立訊精密、中石科技、思泉新材；

2）數(shù)據(jù)中心散熱：英維克、高瀾股份、申菱環(huán)境、佳力圖、朗威股份、依米康、同飛股份、川潤(rùn)股份、潤(rùn)澤科技、科華數(shù)據(jù)、網(wǎng)宿科技；

3）服務(wù)器整機(jī)：浪潮信息、中科曙光、工業(yè)富聯(lián)、華勤技術(shù)、紫光股份、中興通訊、軟通動(dòng)力、神州數(shù)碼、烽火通信、中國(guó)長(zhǎng)城等。

來(lái)源：國(guó)海證券研究所