如今，隨著機架功耗飆升至前所未有的水平，數據中心領域正在發生巨大變革。在計算密集型人工智能(AI)和高性能計算(HPC)應用的推動下，數據中心已迅速從只需采用風冷策略為10至20千瓦的機架散熱，轉變成為配備英偉達Grace Blackwell超級芯片的120千瓦機架散熱——而這僅針對單個機柜的散熱需求!

傳統風冷技術根本無法有效應對如此高的散熱需求，這為新型液冷技術的發展鋪平了道路。當前主流液冷方案主要分為兩大類別："直觸芯片式"與"浸沒式"。與傳統氣體冷卻方式不同，這些技術通過水或絕緣液體等液態介質來為設備散熱。

隨著行業向可持續AI未來邁進，為滿足持續增長的計算需求而建立的AI工廠正在興起，液冷技術必將成為數據中心應對散熱管理、能耗控制及空間利用等核心挑戰的關鍵賦能技術。事實上，面對新一代GPU高達1200瓦的功耗水平，液冷技術已從“錦上添花”演變為“絕對剛需”。隨著全球對這項技術需求的激增，Mordor Intelligence等機構預測，到2029年，液冷技術市場的規模將達到148億美元。

那浸沒式與直觸芯片式液冷的技術差異有哪些呢?兩種方案均包含單相與雙相兩種技術路線。本文將從可持續性、能耗表現、易用性、風險控制、擴展能力及成本效益(見圖1)等維度系統分析各方案的優劣勢。

沉浸式液冷技術：全浸沒組件

浸沒式液冷技術將服務器及其他電子組件完全浸沒于絕緣液體中。設備運行時產生的熱量被傳導至周圍冷卻介質。受熱后的冷卻介質上升至液面，隨后被輸送至冷卻系統進行熱量消散，最后回流至設備所在的初始儲液槽中。

沉浸式液冷有兩種類型：

單相浸沒

該技術方案將所有服務器及其他IT設備浸沒于絕緣液體中。當CPU或GPU溫度升高時，流體吸收其產生的熱量。隨后，這些受熱流體被泵送至熱交換單元進行冷卻，冷卻后的流體重新回流至設備所在的儲液槽中(見圖2)。

優點：

能完全吸收服務器產生的熱量，這意味著服務器(GPU、CPU、內存模塊等)散發的所有熱量都能被收集并冷卻;

采用絕緣液體，確保組件與服務器不會發生短路。

缺點：

熱設計功耗(TDP)受限。當GPU的TDP超過700瓦時，單相浸沒式方案難以提供有效散熱;

需要對數據中心基礎設施改造進行大量投資，因需配置大型重型儲液槽來容納設備。該技術更適用于新建數據中心，或具備充足空間且可進行大規模改造的現有設施，同時需確保建筑結構能夠承載額外重量;

浸沒槽內所有設備(包括服務器、連接器、印刷電路板等)必須與絕緣液體兼容，以避免被液體損壞。這通常需要選用專用設備或對服務器進行改造;

由于服務器部分組件(如光纖連接器)無法在浸沒環境下正常工作，需對服務器進行機械重構;

所用含碳氫化合物的流體具有易燃易爆特性，若數據中心發生火災可能導致災難性后果;

服務器維護困難，任何維護操作均需使用起重機將單個服務器吊出儲液槽，并需等待30分鐘滴液時間后方可開始維修;

流體若受到污染(例如混入水)，需排空并清洗儲液槽，可能導致長達一整天的停機時間。

雙相浸沒

與單相浸沒類似，該技術方案同樣將服務器及IT設備完全浸沒于絕緣液體中。然而，當電路板上的組件溫度升高時，會使流體沸騰產生蒸汽，這些蒸汽從液體中上升至儲液槽頂部。儲液槽頂部設有冷卻水管網絡，當槽內蒸汽接觸冷卻管時發生冷凝，重新液化為液體滴回槽內;同時，冷卻管中的水溫升高，通過熱水將熱量帶出設備，最終從數據中心排出(見圖3)。

優點：

能完全吸收服務器產生的熱量，這意味著服務器(GPU、CPU、內存模塊等)散發的所有熱量都能被收集并冷卻;

能夠支持非常高的熱設計功耗(TDP);

使用絕緣液體，確保組件與服務器不會發生短路。

缺點：

浸沒槽內所有設備(包括服務器、連接器、印刷電路板等)必須與絕緣液體兼容，以避免被液體損壞。這通常需要選用專用設備或對服務器進行改造;

作為流體沸騰過程的一部分，強烈的氣蝕現象會損壞信息技術部件、印刷電路板及焊接點;

需要對數據中心基礎設施改造進行大量投資，因需配置大型重型儲液槽來容納設備，并加強建筑結構以承載額外重量;

由于液槽和浸沒設備的重量，維護工作通常需要使用起重機，導致長時間停機。

每次開槽維護時，含全氟烷基物質(PFAS)的蒸汽會釋放到環境中，每年造成約10%的液體損耗(數百升)，并向大氣中釋放大量PFAS蒸汽。

直觸芯片式液冷技術原理

與將整個服務器及其他IT設備浸沒于液體中的浸沒式液冷不同，直觸芯片式液冷將冷卻液輸送至直接放置在高熱流密度組件(如CPU和GPU)上方的冷板中。冷卻液通過冷板吸收組件產生的熱量，并始終封閉在冷板內部，不會直接接觸芯片或服務器設備。

直觸芯片式液冷被廣泛認為比其他冷卻方式更快、更高效，因為它能夠精準針對主要發熱區域進行散熱。事實上，在近期Omdia分析師峰會上，他們的分析師指出：“當機柜功率超過50千瓦時，直觸芯片式技術將占據主導地位。”

由于冷板主要安裝在高熱流密度組件上，因此服務器仍需配備風扇以排出低熱流密度組件產生的多余熱量。

直觸芯片式液冷也有兩種類型：

單相直觸芯片式液冷

該液冷方法使用水作為冷板中的冷卻介質。水始終保持液態，其散熱能力取決于水流量——熱量越高，所需的水流量越大。

優點：

憑借高流量的冷水，它能夠為高熱設計功耗(TDP)組件散熱;

數據中心基礎設施和服務器架構與風冷方案高度兼容，僅需微小改動即可集成冷板冷卻系統。

缺點：

由于使用普通水而非絕緣液體，一旦發生泄漏，不僅可能損毀價值30萬美元的服務器，還會引發腐蝕、發霉、殘留物沉積、生物污染及其他環境問題;

隨著水流速和壓力提升，需要采用防泄漏性能更強的管路組件。

同時需配備更大功率的水泵來維持系統持續水循環。

兩相直觸芯片式液冷

與使用水的直觸芯片式液冷不同，兩相方案采用對IT設備100%安全的絕緣冷卻液。GPU和CPU產生的熱量在低溫下使絕緣冷卻液沸騰，利用高效的相變物理現象吸收熱量，從而使芯片保持恒溫。其原理類似于沸水使鍋底維持在100°C，只是工作溫度更低。

絕緣液體從液態變為氣態，然后再回到液態的過程是在一個完全封閉的循環系統中完成的。即使熱量增加三倍(比如GPU和CPU溫度更高)，冷板內的液體也不會超過沸點。因此，這種技術具有高度可擴展性，能夠適應未來更高功率芯片的冷卻需求。

這與單相直觸芯片冷卻方式形成鮮明對比，后者依賴于大量水的流動來冷卻芯片。舉例來說，一個使用兩相直觸芯片冷卻技術的100千瓦機架，所需的絕緣液體不到4加侖，而浸沒式冷卻每機架則需要超過100加侖的冷卻液。

優點：

無水直接芯片液冷：采用對IT設備100%安全的絕緣液體，即使發生泄漏(極不可能)，也不會損壞服務器;

提升計算密度：支持單機架功率超過150千瓦;

面向未來：可支持單芯片功率高達2500瓦甚至更高;

與風冷相比，可節省高達80%的功耗;

由于液體保持恒溫，服務器產生的熱量可回收再利用，例如為鄰近辦公室、數據中心其他區域，甚至附近的學校和辦公樓供暖;

幾乎無需對數據中心基礎設施進行改造，前期投資成本低，安裝過程簡單;

維護需求低：絕緣液體無需更換，且與浸沒式液冷不同，在服務器和機架維護期間，這種冷卻液不會釋放到大氣中。所用液體的臭氧消耗潛能(ODP)為0，全球變暖能值(GWP)極低;

即使下一代GPU的熱量增加，仍可維持1U服務器規格。

缺點：

液冷僅用于CPU/GPU散熱，其他組件(如內存、I/O等)仍需風冷。

條條大路通液冷

人工智能的未來發展很大程度上取決于數據中心擴容的能力，這將使數據中心內部的熱量達到前所未有的水平。正如本文所述，目前有多種液冷技術可用于散熱，但每種技術都有其優缺點。

數據中心和超大規模數據中心運營商需要根據成本、功耗、易用性、可擴展性和可持續性等因素，選擇最適合自身的解決方案。只有這樣，行業才能實現真正的人工智能可持續發展。