随着数字技术持续迭代升级，全社会算力需求呈爆发式增长，数据中心能耗规模持续走高。在新型数据中心建设、“双碳”目标等政策导向下，传统风冷制冷模式已难以适配高密度、高功耗算力设备的散热需求，液冷散热逐步成为数据中心制冷技术迭代的主流方向。本文从产业政策、算力散热需求出发，系统阐述液冷技术的应用价值与核心优势，分类剖析冷板式、浸没式、喷淋式等各类液冷方案的架构原理、关键组成与技术特点。通过对散热能力、节能水平、可维护性及成熟度的综合对比，明确短期、中期内单相冷板式液冷的主流应用地位。最后，围绕系统可靠性、散热性能升级、低成本建设、智能调控、芯片级散热等维度，展望液冷技术的未来研究方向与产业发展趋势，为绿色低碳数据中心的规模化建设提供技术参考。
关键词：散热技术；机房节能；液冷散热；冷板式液冷；浸没式液冷
1 应用背景
1.1 节能政策强力驱动行业技术革新
云计算、人工智能、大数据等数字技术与实体经济深度融合，持续拉动全社会数据流量与算力需求高速增长，数据中心作为数字经济的核心基础设施，产业规模持续扩容。截至2023年底，我国在用数据中心标准机架总规模达810万架，数据中心整体耗电量占全社会用电量的3%左右，是典型的高耗能基础设施。在可持续发展与“碳达峰、碳中和”战略引领下，国家及地方陆续出台专项政策，持续收紧数据中心能效指标，倒逼制冷技术升级迭代。
工信部《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》明确，2023年底新建大型及以上数据中心PUE需降至1.3以下，东数西算枢纽节点及寒冷地区力争控制在1.25以下。国家发改委相关方案进一步提出，2025年新建大型、超大型数据中心PUE需低于1.3，国家级枢纽节点PUE严控在1.25以内，其中西部枢纽节点PUE目标低至1.2。在数据中心整体能耗结构中，制冷系统能耗占比超24%，是机房能耗管控的核心环节，制冷技术的革新成为降低PUE、实现绿色算力建设的关键突破口。
传统间接蒸发冷却等风冷优化技术可将PUE降至1.25左右，而液冷技术依托液体高导热、高换热效率的特性，能够大幅缩短传热路径、充分利用自然冷源，可将数据中心PUE降至1.1，节能优势突出，已成为政策重点鼓励推广的新型制冷技术。
1.2 高密度算力催生极致散热需求
算力设备性能持续升级，芯片热流密度与整机功耗大幅攀升，传统风冷散热瓶颈日益凸显。当前主流CPU散热功耗可达350~500W，AI场景GPU设计功耗突破800W，超高功率芯片的规模化应用，对机房散热能力提出全新挑战。
芯片功耗提升推动机柜功率密度持续走高，当前新建数据中心单机柜主流功率达8kW以上，通用算力场景最高功率密度突破30kW/柜，智能算力场景机柜功率密度更是达到100kW/柜。受换热效率、空间布局、运维成本限制，传统风冷系统散热上限仅为20kW/柜，无法满足高密算力的稳定运行需求。液冷技术以液体替代空气作为换热介质，通过直接或间接接触热源完成热量交换，散热效率大幅提升，可全面适配芯片、整机柜及机房级别的超高散热需求，成为高密智算中心的刚需技术。
2 液冷技术分类及技术原理
依据冷却液是否与发热器件直接接触，行业将液冷技术分为间接接触式与直接接触式两大类。其中，间接接触式以单相冷板式、两相冷板式液冷为代表；直接接触式包含单相浸没式、两相浸没式、喷淋式液冷。各类液冷系统通用架构分为室内、室外两大循环体系，室外侧由室外冷源、一次侧冷却液组成，室内侧包含冷量分配单元（CDU）、二次侧冷却液与液冷机柜。系统运行时，二次侧冷却液吸收设备热量，通过CDU换热器将热量传递至一次侧回路，最终由室外冷源释放至外界环境，完成闭环散热。
2.1 单相冷板式液冷
单相冷板式液冷是目前产业化最成熟、应用最广泛的液冷技术。该技术通过贴合在发热器件表面的液冷板，间接吸收设备热量，二次侧冷却液在吸热、放热全过程中保持液态、不发生相变。根据散热覆盖范围，可分为局部液冷与全液冷两种模式：局部液冷仅针对CPU、GPU等高功耗器件散热，可带走设备70%左右热量，剩余热量需辅以风冷散热；全液冷通过定制化液冷板覆盖全部发热器件，实现设备全域散热。
该系统核心组成包含二次侧冷却液、CDU、分液器、液冷板、流体连接器、液冷管路及漏液检测传感器。二次侧冷却液多采用去离子水、乙二醇水溶液等介质，需定期检测水质参数保障运行稳定。CDU分为集中式与分布式，集中式CDU集中为多机柜供冷，便于统一运维；分布式CDU内置机柜，可适配单柜差异化功耗。系统通过分液器实现冷却液均匀分配，依托专用液冷板、密封连接器与管路构建密闭循环回路，并搭配多类型漏液传感器，实时监测泄漏风险，保障机房安全。
单相冷板式液冷对原有机房设备改造幅度小、兼容性强、运维便捷，经过多年技术迭代，可有效适配高密度算力散热需求，降低数据中心整体拥有成本（TCO），现阶段市场应用占比超90%。
2.2 两相冷板式液冷
两相冷板式液冷系统整体架构与单相冷板式相近，核心差异在于二次侧冷却液通过相变换热实现高效散热。冷却液在液冷板内吸收热量由液态汽化，在CDU中冷凝回流，依托相变潜热大幅提升散热能力，最高可实现300W/cm²以上的散热效果，适配超高热流密度芯片场景。
由于存在相变过程，系统运行压力显着高于单相液冷，对核心部件性能要求更高。二次侧冷却液选用低沸点制冷剂、氟化液等工质，需兼顾热物性、安全性与环保性。CDU采用专用温控压力控制系统，适配系统压力波动；液冷板通过微结构优化强化汽化换热效果；流体连接器、管路均采用高压适配设计，规避气相介质泄漏风险。目前该技术散热优势突出，但产业链配套尚未完善，整体成熟度较低，仍处于技术迭代阶段。
2.3 单相浸没式液冷
单相浸没式液冷属于直接接触式散热技术，将服务器等设备完全浸没在绝缘冷却液中，通过液体直接对流带走设备热量，冷却液全程保持液相、无相变。该技术彻底取消设备散热风扇，具备极致节能、低噪音的优势。
系统核心包含绝缘冷却液、浸没机柜与专用CDU。冷却液选用高绝缘、低黏度、兼容性强的氟碳化合物、矿物油等介质。浸没机柜以卧式TANK结构为主，通过底部均流板实现冷却液均匀布水，搭配密封上盖减少介质挥发损耗。由于机柜运维时需开盖操作，系统属于半开放式结构，对CDU的过滤、循环、介质监测能力要求更高。
受介质导热系数、流动速度限制，单相浸没式液冷整体散热能力有限，难以适配极致超高功耗芯片。同时设备全浸没部署对器件材料兼容性要求严苛，改造成本较高。为优化运维短板，行业迭代出立式浸没架构，兼顾浸没式节能优势与冷板式运维便捷性，成为主流优化方向。
2.4 两相浸没式液冷
两相浸没式液冷依托冷却液沸腾相变实现高效换热，设备热量使液态介质汽化，气态介质上浮至顶部冷凝器完成冷凝回流，散热效率远高于单相浸没方案。该技术分为卧式与立式两种架构，其中立式架构通过独立密封腔体设计，有效解决介质挥发损耗、运维复杂等问题，是当前重点研究方向。
系统核心由低沸点氟碳工质、设备密封壳体、多孔介质沸腾散热器组成。独立密封腔体可实现电气接口、液路接口的全密封防护，规避介质泄漏风险；多孔介质散热器可增加汽化核心，强化换热效率。该技术可同时满足超高功耗散热与极致节能需求，但目前密封可靠性、系统压力控制、工况稳定性仍需优化，暂未实现规模化商用。
2.5 喷淋式液冷
喷淋式液冷为直接接触式液冷技术，通过机柜顶部喷淋结构，将绝缘冷却液精准喷淋至芯片、主板等发热器件表面，依靠对流换热实现散热，冷却液全程无相变。系统主要由绝缘冷却液、专用喷淋设备、密封机柜与底部储液箱组成。
根据设备器件布局与功耗差异，可定制喷淋孔位置、密度与孔径，实现精准定向散热。密封机柜可有效抑制介质飘逸损耗，底部储液箱可完成冷却液收集与泄漏应急收纳，提升系统稳定性。喷淋式液冷散热能力优于单相浸没式，节能效果优于冷板式液冷，是兼顾散热性能与节能效益的折中方案，但目前应用场景有限，产业成熟度有待提升。
2.6 各类液冷技术综合对比
综合散热能力、节能效果、运维难度、技术成熟度与产业化水平来看，不同液冷技术适配场景各有差异。其中，单相冷板式液冷改造难度低、兼容性好、运维便捷、产业链完善，是当前及未来中期的主流应用方案；单相浸没式液冷节能优势显着，技术逐步成熟，小规模商用持续落地；两相冷板式、两相浸没式、喷淋式液冷性能上限更高，但受技术成熟度、配套生态、成本约束，目前仅适用于试点场景，大规模普及仍需时间。
3 液冷技术发展趋势与研究方向
随着液冷技术规模化落地，泄漏风险、散热上限不足、调控精度低、建设成本偏高、适配超高密算力能力有限等问题逐步凸显。行业围绕可靠性、散热性能、智能化、低成本、极致散热等维度持续技术创新，推动液冷技术全方位升级。
3.1 非水冷板式液冷技术
传统水基冷板式液冷存在介质腐蚀、泄漏导电、微生物滋生等可靠性隐患，易引发设备短路、器件损坏问题。针对该痛点，行业创新推出非水冷板式液冷技术，将二次侧水基介质替换为氟碳类、油基绝缘介质，从根源杜绝泄漏导电风险。
该技术沿用成熟冷板式系统架构，同时针对新介质特性优化系统设计：开展材料兼容性专项测试，规避介质腐蚀问题；优化CDU补液结构，防止外界杂质、水分侵入引发介质变质；替换适配绝缘介质的光电式、电容式漏液检测装置，搭配氟介质专用检漏设备，构建全方位安全防护体系。非水冷板式液冷兼顾高散热性能与高可靠性，适配各类核心算力场景。
3.2 全液冷冷板技术
传统局部冷板式液冷仅能带走60%~80%的设备热量，剩余热量需依赖风冷辅助，节能收益受限。全液冷冷板技术通过定制化全域液冷板，覆盖CPU、内存、硬盘、电源等全部发热器件，可带走设备95%以上热量，实现近乎100%液冷散热，将数据中心PUE降至1.1及以下，大幅降低长期运营能耗。
该技术散热效率、节能效果优势显着，但系统管路、部件布局更为复杂，对安装、运维专业性要求更高，内存、可插拔器件的长期运行可靠性仍需持续优化，未来将成为高等级绿色智算中心的核心选型方向。
3.3 单相浸没式强化散热技术
传统单相浸没式液冷受介质流速、换热效率限制，难以适配100kW+超高密机柜散热需求。当前行业主要通过架构优化、主动对流强化、介质升级三大方向突破散热瓶颈。一是加装微泵、导流风机等主动驱动部件，强化局部介质湍流程度，提升换热效率；二是优化双回路系统架构，针对CPU、GPU等高功耗器件设计重力强化散热结构，单节点散热能力可突破2000W；三是研发纳米流体新型介质，通过高导热纳米颗粒提升液体换热性能，解决传统绝缘介质导热差、黏度高的短板。未来随着技术成熟，将全面适配超高密智算场景。
3.4 液冷智能温控技术
液冷系统耦合度高、调控参数复杂，传统纯数据驱动AI调控模式存在依赖性强、可解释性差、极端工况稳定性不足等问题。行业创新提出“数据+机理”双驱AI温控技术，结合热力学机理模型与大数据训练模型，构建高精度系统仿真体系。
该技术依托热力学原理建立基础调控逻辑，通过数据模型优化参数偏差，规避纯数据调控的反逻辑问题，可实现负载动态适配、冷量精准匹配，最大化挖掘节能潜力。同时结合DCIM平台与数字孪生技术，实现全系统工况预测、风险预警与智能调控，大幅提升液冷系统的节能水平与运行可靠性。
3.5 低成本液冷系统技术
初期建设成本偏高是制约液冷规模化普及的核心因素。行业通过材料替代、工艺优化、结构简化等方式持续降本，通过铝合金冷板、高分子管网、一体式注塑部件等新型材料与工艺，可实现整体建设成本降低15%以上。
具体优化方案包括：以铝合金替代传统铜材制作冷板，采用高分子盖板与胶圈密封工艺，取消高成本焊接工序；将不锈钢管路、分液器、连接器替换为高强度高分子材料，通过一体式注塑成型降低加工成本，同时经过兼容性、稳定性测试，保障长期安全运行，有效降低液冷技术规模化落地门槛。
3.6 芯片级内嵌液冷技术
随着芯片制程微缩、2.5D/3D堆叠封装普及，芯片内热阻持续增大，传统外部液冷方案已难以适配300W/cm²以上超高热流密度散热需求。芯片级液冷技术成为未来终极散热方案，通过在芯片内部刻蚀微米级微流道，让冷却液直接进入芯片热源内部换热，从根源降低界面热阻，解决多芯片堆叠散热难题。
该技术分为分体式与一体式两种架构，可适配超高功耗芯片散热需求，目前处于实验室研究阶段，微流道加工、封装集成、系统适配等技术仍需突破，是下一代超高密算力散热的核心研究方向。
4 结语
算力密度持续提升与绿色低碳政策约束，共同推动数据中心制冷技术迭代升级，液冷技术凭借高散热效率、低能耗、低噪音、低TCO的综合优势，成为新型绿色数据中心建设的核心支撑技术。当前各类液冷技术分层发展、各有侧重，单相冷板式液冷主导规模化商用，浸没式、喷淋式、两相液冷持续技术迭代。未来行业将围绕高可靠、高性能、低成本、智能化、极致散热五大方向持续创新，逐步突破现有技术瓶颈，全面适配高密度、超高功耗智算场景，为数字经济高质量发展、算力基础设施绿色低碳转型提供坚实保障。
