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液冷數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)格局全景解析
截至2022年年底，全國大型及以上用數(shù)據(jù)中心機架總規(guī)模超過650萬標準機架，算力總規(guī)模達到180EFLOPS，位居全球第二，算力總規(guī)模近五年年均增速超過25%，存力總規(guī)模超過1000EB。其中，智能算力規(guī)模不斷擴大，占比提升至40%以上。
人工智能的應(yīng)用加速數(shù)據(jù)中心向高密化趨勢演進，導(dǎo)致高性能計算集群對于散熱的要求提升。
當前風(fēng)冷散熱已趨于能力天花板，傳統(tǒng)的空氣冷卻散熱系統(tǒng)已不能完全滿足數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散熱需求。
液冷散熱將憑借低能耗、高散熱效率、低噪音等優(yōu)勢有望取代風(fēng)冷成為主流。
延展閱讀：液冷服務(wù)器：數(shù)據(jù)中心新趨勢，產(chǎn)業(yè)格局梳理
目前，全球高密集度、高供電密度的超大型數(shù)據(jù)中心已逐漸采用液冷技術(shù)。
IDC預(yù)測，拋開傳統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心不計，未來有大概20%的邊緣計算數(shù)據(jù)中心也將采用液冷技術(shù)。
根據(jù)《中國液冷數(shù)據(jù)中心發(fā)展白皮書》數(shù)據(jù)，樂觀估計2025年中國液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達到1330.3億元。
從政策方面來看，在“雙碳”背景下，國家發(fā)改委指導(dǎo)政策明確要求到2025年全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE低于1.3，國家樞紐節(jié)點低于1.25。
液冷技術(shù)在經(jīng)濟性與散熱效率兩個角度均滿足市場與政策指導(dǎo)需求。
01
液冷行業(yè)概覽
數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)包含風(fēng)冷冷卻、水冷冷卻、自然冷卻及液冷冷卻等技術(shù)。
液冷是以液體作為熱量傳導(dǎo)媒介，通過冷卻液與服務(wù)器發(fā)熱部件直接或間接接觸的方式換熱，將發(fā)熱部件產(chǎn)生的熱量帶走的一種服務(wù)器散熱技術(shù)。
由于液體比空氣的比熱容大得多，制冷效率遠高于風(fēng)冷散熱，并且由于省去了風(fēng)扇，也可達到降低噪音的效果。相比而言，液冷更適用于高密度功率的數(shù)據(jù)中心。
服務(wù)器也因此實現(xiàn)了高密度、低噪音、低傳熱溫差、全年自然冷卻的效果。
數(shù)據(jù)中心液冷原理圖：
圖片資料來源：《中國液冷數(shù)據(jù)中心發(fā)展白皮書》
根據(jù)中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會，液冷PUE低于傳統(tǒng)風(fēng)冷PUE至少50%，意味著眾多數(shù)據(jù)中心的能耗能夠至少減少50%，碳排放量也將減少50%。
PUE即電能利用效率，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源比值。PUE值越接近于1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高。因此，PUE值越高，數(shù)據(jù)中心的整體效率越低。
采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，其PUE低至1.04，相比風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心能效比提升超30%，單機柜功率密度達160kW，計算設(shè)備可靠性至少提升一個數(shù)量級。
液冷三大技術(shù)對比
液冷技術(shù)分為接觸式及非接觸式兩種。
接觸式液冷是指將冷卻液體與發(fā)熱器件直接接觸的一種液冷實現(xiàn)方式，包括浸沒式和噴淋式液冷等具體方案。
非接觸式液冷是指冷卻液體與發(fā)熱器件不直接接觸的一種液冷實現(xiàn)方式，包括冷板式等具體方案。
總體來看，液冷技術(shù)路徑主要有冷板式液冷、浸沒式液冷、噴淋式液冷三大類。
液冷技術(shù)分類總覽：
圖片資料來源：IDC圈
冷板式液冷采用微通道強化換熱技術(shù)具有極高的散熱性能。
在軍用雷達、高密度數(shù)據(jù)中心、高性能電腦、動力電池以及高功率LED 散熱領(lǐng)域均有應(yīng)用，是解決大功耗設(shè)備部署、提升能效、降低制冷運行費用、降低TCO 的有效應(yīng)用方案。
冷板式液冷技術(shù)改造成本低、技術(shù)最成熟、生態(tài)更完善。
冷板式液冷系統(tǒng)部件拆分圖：
浸沒式液冷技術(shù)通過浸沒發(fā)熱器件，使得器件與液體直接接觸，進而進行熱交換。其中，冷卻液為數(shù)據(jù)中心的換熱介質(zhì)，具有高絕緣、低黏度以及超強的兼容特性，是浸沒式液冷技術(shù)的主要媒介。
浸沒式制冷效率更高，可適配更高功率密度的機柜和數(shù)據(jù)中心，具有更優(yōu)的節(jié)能效果，在超算、高性能計算領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，全浸沒式液冷式服務(wù)器有望成為未來技術(shù)趨勢。
浸沒式液冷示意圖：
資料來源：中科曙光
噴淋式液冷是面向芯片級器件精準噴淋，通過重力或系統(tǒng)壓力直接將冷卻液噴灑至發(fā)熱器件或與之連接的導(dǎo)熱元件上的液冷形式，屬于直接接觸式液冷。
噴淋式液冷系統(tǒng)主要由冷卻塔、CDU、一次側(cè)& 二次側(cè)液冷管路、冷卻介質(zhì)和噴淋式液冷機柜組成；其中噴淋式液冷機柜通常包含管路系統(tǒng)、布液系統(tǒng)、噴淋模塊、回液系統(tǒng)等。
噴淋式液冷卻效果和低PUE將大幅提升其使用率，但因為改造成本高，現(xiàn)階段落地應(yīng)用較少。
噴淋式液冷示意圖：
圖片來源：中興通訊《液冷技術(shù)白皮書》
02
液冷發(fā)展歷史沿革
從液冷歷史來看，海外廠商具有先發(fā)優(yōu)勢，中國廠商后來居上實現(xiàn)突圍。
1964年，IBM公司研發(fā)出世界首款冷凍水冷卻計算機System 360，開創(chuàng)了液冷計算機先河。
2008年，IBM重回液冷，發(fā)布了液冷超級計算機Power 575。
2009年，英特爾推出了礦物油浸沒散熱系統(tǒng)。
2011年，中科曙光率先開始了服務(wù)器液冷技術(shù)的探索與研究，并于2013年完成了首臺冷板式液冷服務(wù)器原理機和首臺浸沒式液冷原理驗證。
2015-2018年，中科曙光、華為、浪潮信息、聯(lián)想、阿里巴巴等一眾國產(chǎn)廠商先后實現(xiàn)了液冷服務(wù)器大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用項目的落地，實現(xiàn)彎道超車。
2018年，谷歌宣布將在其數(shù)據(jù)中心采用液冷技術(shù)，并表示今后其數(shù)據(jù)中心的降溫方式將向液冷方向轉(zhuǎn)變。
2019年，中科曙光再下一城，實現(xiàn)了全球首創(chuàng)“刀片式浸沒相變液冷技術(shù)”的大規(guī)模部署，將單機功率密度提升至160kW，其TC4600E-LP液冷刀片服務(wù)器液冷部分PUE低于1.1，全球領(lǐng)先。
2021年，阿里云在“第十六屆中國IDC產(chǎn)業(yè)年度大典”上正式向業(yè)界發(fā)布行業(yè)首款單相浸沒液冷解決方案—磐久Immersion DC 1000，將綠色液冷技術(shù)與極致算力平臺結(jié)合，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施散熱能力和服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高效融合并整體交付，整體能耗可下降34.6%。
2022年，浪潮信息發(fā)布全棧液冷產(chǎn)品，通用服務(wù)器、高密度服務(wù)器、整機柜服務(wù)器、AI服務(wù)器等四大系列均支持冷板式液冷，同時浪潮信息亞洲最大液冷數(shù)據(jù)中心研發(fā)生產(chǎn)基地-天池正式投產(chǎn)，年產(chǎn)能達到10萬臺，實現(xiàn)了業(yè)界首次冷板式液冷整機柜的大批量交付。
國內(nèi)外液冷技術(shù)發(fā)展歷程：
資料來源：三大運營商《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》
03
液冷數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈
液冷產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚未完全成熟，目前業(yè)內(nèi)還沒有服務(wù)器與機柜的統(tǒng)一接口規(guī)范標準，由于機柜與服務(wù)器需要深度耦合，而各家服務(wù)器設(shè)備、冷卻液、制冷管路、供配電等產(chǎn)品形態(tài)各異，不同廠家產(chǎn)品接口不同、不能互相兼容，勢必限制競爭，影響產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，因此需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同推進。
液冷產(chǎn)業(yè)生態(tài)涉及產(chǎn)業(yè)鏈上中下游，包括上游的產(chǎn)品零部件提供商、中游的液冷服務(wù)器提供商及下游的算力使用者。
液冷數(shù)據(jù)中心上游主要為產(chǎn)品零部件，包括接頭、CDU、電磁閥、TANK、maniflod等。
中游主要為液冷服務(wù)器，也是產(chǎn)業(yè)鏈的核心。
下游行業(yè)主要包括互聯(lián)網(wǎng)、金融、電信、政府、交通和能源等信息化程度相對較高的行業(yè)，涵蓋智慧計算、電子政務(wù)、企業(yè)信息化、關(guān)鍵應(yīng)用以及民生等相關(guān)領(lǐng)域，包括三大電信運營商，以及騰訊、阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)大型企業(yè)。
液冷產(chǎn)業(yè)鏈：
圖片資料來源：《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》
04
液冷市場格局
海外浸沒式液冷市場的主要玩家有GRC（美國）、LiquidStack（美國）、Midas（美國）等；冷板式液冷市場主要玩家有CoolIT Systems（美國）、Asetek（丹麥）、Motivair（美國）等。
谷歌、微軟、英特爾、IBM、HP等公司也已經(jīng)在液冷技術(shù)領(lǐng)域有所布局。
國內(nèi)市場中，部分企業(yè)經(jīng)過多年的技術(shù)積累和沉淀，已經(jīng)展現(xiàn)出較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢和市場先發(fā)優(yōu)勢，未來行業(yè)內(nèi)有望形成龍頭廠商占據(jù)主要市場份額的競爭格局。
據(jù)信通院《中國液冷數(shù)據(jù)中心發(fā)展白皮書》對于中國液冷數(shù)據(jù)中心廠商競爭力的研究，基于產(chǎn)品營收、市占率、客戶反饋等指標，中科曙光、浪潮信息為市場的領(lǐng)導(dǎo)者，華為、阿里巴巴、聯(lián)想、英維克、高瀾股份、維諦技術(shù)、廣東合一、寧暢等緊隨其后。
整體來看，當前液冷行業(yè)仍處在發(fā)展早期，行業(yè)主要參與者分為三大類：
1.華為電氣-艾默生系的專業(yè)溫控廠商：最早從事精密空調(diào)研發(fā)設(shè)計，具備多年的產(chǎn)業(yè)洞察，對技術(shù)研發(fā)具備前瞻性，且形成平臺化的散熱布局，賦能多行業(yè)應(yīng)用。
國內(nèi)機房空調(diào)市場一超多強，維諦技術(shù)龍頭地位穩(wěn)固。據(jù)ICTResearch數(shù)據(jù)，國內(nèi)機房空調(diào)市場維諦技術(shù)市占率30%左右，佳力圖、艾特網(wǎng)能、依米康、華為和英維克各占10%左右。申菱環(huán)境、同飛股份等專業(yè)溫控廠商也均有相關(guān)技術(shù)儲備和布局。
艾默生系深耕多年，誕生出國內(nèi)優(yōu)秀的數(shù)字能源上市公司：
資料來源：wind, 國金證券
通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗與服務(wù)器上架率正相關(guān)，難以下降，因此降低制冷系統(tǒng)能耗是目前數(shù)據(jù)中心節(jié)能、提高能源利用效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2.布局液冷技術(shù)的服務(wù)器廠商：冷卻技術(shù)由房間級向行級甚至服務(wù)器內(nèi)部芯片級延伸，能夠參與液冷技術(shù)方案的服務(wù)器廠商，有望更快抓住算力升級的產(chǎn)業(yè)機遇，強化產(chǎn)品競爭力。
IDC發(fā)布的《2022年中國服務(wù)器市場跟蹤報告》顯示：浪潮穩(wěn)坐頭部，第二名為新華三（紫光股份旗下），此外超聚變(原華為）和中興通訊份額提升明顯，當前頭部服務(wù)器廠商均有液冷技術(shù)布局。
2022年，浪潮將“All In液冷”納入公司發(fā)展戰(zhàn)略中當前AI大模型有望引領(lǐng)算力需求升級，帶動高功率密度的智算和超算中心建設(shè)，加速配套設(shè)施液冷系統(tǒng)導(dǎo)入市場。
浪潮“All In液冷”方案：
圖片
中科曙光子公司曙光數(shù)創(chuàng)是浸沒相變液冷領(lǐng)軍企業(yè)，冷板液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品-C7000系列是國內(nèi)首款量產(chǎn)的冷板液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品及服務(wù)器冷板散熱套件。截止2022年，冷板產(chǎn)品已經(jīng)迭代至第四代產(chǎn)品。22年IPO募集資金近2.3億元用于液冷數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品升級及產(chǎn)業(yè)化研發(fā)項目。
工業(yè)富聯(lián)在今年4月第六屆數(shù)字中國建設(shè)峰會上，展出了其最新的2U液冷服務(wù)器，Tethys高性能高密度浸沒式模塊化服務(wù)器，基于第四代英特爾至強可擴展處理器設(shè)計的2U2N機構(gòu)式服務(wù)器，采用獨創(chuàng)模塊化架構(gòu)實現(xiàn)了靈活模塊布局。
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3.提供包含芯片級散熱的完整解決方案的供應(yīng)商：芯片作為服務(wù)器核心熱量源，隨著高算力、高性能、先進制程芯片功耗的提升，散熱方案向服務(wù)器內(nèi)部芯片級升級，芯片級散熱由風(fēng)冷系統(tǒng)向液冷升級。中石科技、雙鴻科技、健策精密、富信科技等廠商在該領(lǐng)域均有布局。
AI芯片的功耗比傳統(tǒng)的CPU芯片功耗大數(shù)倍，采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷方案越來越困難和不經(jīng)濟；液冷方案可以用液體冷卻芯片，減少了換熱級數(shù)，可以100%實現(xiàn)自然冷卻，空調(diào)系統(tǒng)的能耗可以大幅降低。
未來芯片級液冷有望成為行業(yè)發(fā)展趨勢。散熱有望將從房間級、機柜級、服務(wù)器級向芯片級演進，通過散熱部件與芯片表面直接接觸實現(xiàn)更好的芯片散熱。
近年來，也有不少新“玩家”入局液冷產(chǎn)業(yè)鏈上下游各環(huán)節(jié)，包括光訊科技、飛龍股份、網(wǎng)宿科技、潤澤科技、烽火通信、銳新科技、科華數(shù)據(jù)等廠商。
在AI+應(yīng)用廣泛落地的刺激下，TrendForce最新發(fā)布的預(yù)測，隨著AI服務(wù)器與AI芯片需求同步看漲，預(yù)計2023年AI服務(wù)器（包含搭載GPU、FPGA、ASIC等主芯片）出貨量將接近120萬臺，年增38.4%，而AI芯片2023年出貨量預(yù)計將增長46%。
TrendForce同步上修2022-2026年AI服務(wù)器出貨量年復(fù)合增長率至22%，預(yù)計占整體服務(wù)器出貨量比例將從2023年的9%進一步提升至15%。
當前我國數(shù)據(jù)中心主要以通用算力為主，隨著人工智能、邊緣計算需求的提升，超算、智算數(shù)據(jù)中心數(shù)量有望迎來高速發(fā)展。在AIGC、東數(shù)西算等帶動數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求的趨勢下，液冷方案滲透率的提升有望帶動數(shù)據(jù)中心溫控市場的量價齊升。
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