高功耗、高密度是數據中心的未來 液冷將成AI服務器散熱主流方案

一、數據中心行業概述

根據觀研報告網發布的《中國數據中心行業發展現狀分析與投資前景預測報告（2023-2030年）》顯示，數據中心（DataCenter，簡稱DC），即為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，包括主機房、輔助區、支持區和行政管理區等。作為算力基礎設施的重要組成部分，數據中心是促進5G、人工智能、云計算等新一代數字技術發展的數據中樞和算力載體，對于數字經濟增長具有重要助推作用。

根據服務對象不同，數據中心可以分為國家數據中心（NDC）、企業數據中心（NDC）和互聯網數據中心（IDC）；按照規模大小可分為超大型、大型和中小型。

數據中心的分類及相關介紹

資料來源：觀研天下數據中心整理

二、不斷增長的計算需求和利好政策是數據中心快速發展的主要驅動力

在數字經濟時代，數據中心是匯聚著計算資源、網絡資源、數據資源的核心樞紐，是國家和企業加速數字化發展的核心引擎和戰略資源。近年來，隨著 AI、云計算、大數據以及區塊鏈等技術的創新發展，作為信息基礎設施的數據中心及通信設備承擔的計算量越來越大，對計算效率的要求也越來越高。與此同時，政策利好也在持續加碼數據中心投資建設。工信部表示將加快基礎設施建設，引導擴大有效投資。推動數據中心集群項目建設，持續優化數據中心布局，加快向高技術、高算力、高效能演進。國家發改委表示，將進一步加大統籌力度，發揮政策疊加效應，加快提升八大算力樞紐的影響力和集聚力，有效帶動大數據中心產業上下游投資。

政策助力與需求驅動下，數據中心行業蓬勃發展。IDC預計，全球對于數據中心的建設投資將保持加速增長狀態，從建設數量來看，2022-2026年，全球新建數據中心數量將以8.6%的年復合增長率(CAGR) 增長。

三、數據中心加速邁向“綠色低碳”，各地區明確能效優化指標

在碳達峰、碳中和的目標背景下，作為數字經濟的堅實“底座”，數據中心的綠色低碳發展已成為大勢所趨。2022年，伴隨著全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐圈定，我國“東數西算”工程也正式全面啟動，各地陸續出臺相關政策推動數據中心加速邁向“綠色低碳”轉型之路，包括《新型數據中心發展三年行動計劃（2021-2023年）》《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》在內的多項政策對數據中心PUE、綠色低碳等級進行規范和約束，全面促進數據中心綠色低碳發展。在此次梳理的近60份政策之中，超六成與數據中心綠色低碳發展相關。半年間，“東部”樞紐因為一直是市場需求和建設的熱點，因此所出臺的相關政策數量較多，四個樞紐地區共發布了至少37份相關政策。其中，京津冀和長三角是統計中最為關注數據中心綠色化的兩個樞紐節點，分別出臺了11份和10份相關政策。

具體來看各地區發布的政策，大都提到了能效優化的指標，部分地區明確了區域性或階段性要求，并對達標企業提供獎勵。其中，PUE（數據中心總設備能耗和IT設備能耗之間的比率）作為關鍵能效考核指標之一被屢屢強調。如《內蒙古自治區“十四五”節能規劃》中強調，新建數據中心須達到綠色數據中心建設標準，PUE值（電能利用效率）不超過1.3，并要求推動既有數據中心綠色節能改造，以及制冷、儲能等節能技術的發展。

各地數據中心相關綠色低碳建設目標

資料來源：觀研天下數據中心整理

四、數據中心進入發展新階段，引各路資本競相角逐

過去，數據中心主要負責處理某個特定組織業務運營的輸出，比如交易、客戶檔案、銷售詳情等，隨著數據量爆炸式增長和業務需求的提升，傳統數據中心面臨著效率低下、能源消耗高且設備不足的難題?；诖?，2021年7月，工業和信息化部出臺《新型數據中心發展三年行動計劃(2021-2023年)》，明確提出要用3年時間，基本形成布局合理、技術先進、綠色低碳、算力規模與數字經濟增長相適應的新型數據中心發展格局；同年11月，工業和信息化部發布《“十四五”信息通信行業發展規劃》，針對“數據中心算力”“新建大型和超大型數據中心運行電能利用效率(PUE)”等提出了明確指標。

此后，國內數據中心產業發展進入了新的轉型階段，飛速發展的產業吸引了各路資本跨界經營數據中心，液冷、光伏、儲能等新型設備廠商進入供應鏈，市場供給快速增加，其中尤以鋼鐵企業投資之大吸引目光，江蘇沙鋼與杭鋼集團均采用收購形式切入IDC業務，前者全資控股英國數據中心運營商Global Switch，后者則將目標對準國內，并已增資建設杭州杭鋼云計算數據中心。天眼查數據顯示，目前我國數據中心相關企業超 156.7 萬家，2022 年新增注冊企業近 40.2 萬家，年度新增注冊企業增速達到 35.41%。比于投資既有的數據中心企業，“跨界”面臨著更多需要解決的問題，并不是有錢就能建好數據中心。數據中心建設需要考慮多方面的因素，如地理位置、氣候條件、電力供應、網絡連接、安全防護等。如果沒有合適的環境和條件，數據中心建設將面臨很多困難和風險。

觀研天下分析師觀點：數據中心是算力的供給側，算力之爭也是國力之爭，所以相關企業的競爭不能只停留在傳統計算中那些習慣了的、來自國外的技術做法，而應該在應用生態尚未成熟的時候主動保證自主技術的創新與國外先進技術的平衡。

五、數據中心功率密度逐年提升，散熱“革命”勢在必行

1、高算力成為芯片主要突破方向，數據中心功率密度進一步提升

數據中心產業鏈最上游為 IT 硬件和基礎設施。其中，芯片是整個 IT 生態最底層的基礎硬件，其性能與功耗將極大地影響數據中心的功率密度與運行處理效率。例如，在數據中心，GPU被廣泛應用于人工智能的訓練、推理、高性能計算（HPC）等領域，90%左右的AI服務器采用GPU作為加速芯片。如果GPU芯片不足，數據中心可能無法滿足客戶的需求，導致服務中斷；CPU芯片也與數據中心密切相關。CPU芯片是服務器的基本組成部分，它對數據中心的影響主要體現在計算能力、能耗效率、數據存儲和處理以及安全性等方面。如果CPU芯片出現故障或性能瓶頸，將導致服務器無法正常運行，從而影響數據中心的穩定性和可靠性。另外，存儲芯片也在數據中心中發揮著重要的作用。存儲芯片負責數據的存儲和管理，如果存儲芯片出現故障或性能問題，將導致數據丟失或訪問速度變慢，從而影響數據中心的正常運行。

當前以 ChatGPT 為代表的人工智能、物聯網、超級計算及其相關應用正快速發展，對芯片提出了更高的性能要求，高算力已成為芯片的主要突破方向，為了滿足高算力負載的需求，數據中心需要疊加多核處理器或者提高單核心的主頻來提高計算密度，但無論哪種方式，都會顯著增加IT硬件的處理器功耗，從而使得數據中心功率密度越來越高。

在人工智能和云應用的推動下，如今高端硬件的功耗越來越高，英特爾的“Sky Lake”和AMD的“Rome”等高級處理器功耗升至230-300W，英偉達的GPU功耗更將攀升到600W左右。承載業務的計算需求變化，計算密集型應用場景(例如AI、loT、 區塊鏈以及AR/VR等)的激增，導致承載應用負載的服務器設備功耗大幅增加，數據中心功率密度呈現逐年增大的趨勢。根據《2021-2022年度中國數據中心基礎設施產品市場總報告》，2021年單機柜功率在10kW以上的數據中心市場規?？焖僭鲩L，增長率超過10%，其中30kW以上的高密度數據中心增長速度最快，達到31%。預計到2025年，數據中心的x86 CPU 芯片TDP提升至350W左右，ARM CPU芯片的TDP提升至600W左右，而用于人工智能計算的 NPU/GPU 芯片會提升到750W左右。

高端處理器及GPU等芯片功耗越來越高

資料來源：公司官網、觀研天下數據中心整理

2、液冷技術優勢凸顯，或將成為未來主流的散熱方式

AI算力功耗越來越高，服務器市場也在不斷擴大，在此背景下，傳統的風冷散熱，已經無法應對，數據中心散熱“革命”勢在必行。

資料來源：觀研天下整理

其中，液冷散熱或將成為未來主流的散熱方式。跟傳統的風冷系統相比，新的液冷改善了主設備的散熱方式，散熱效率更高，且具有更節能、噪聲更低等優點。同時，液冷對于數據中心的節能降碳也發揮著重要作用。高耗能是數據中心最受關注的負面標簽，相關數據表明，國內數據中心占全社會耗電量的比值逐年增加，基本占到全社會用電量的2%-4%，是十足的“吃電”大戶，低效率運行的數據中心更加重了這種用能負擔，而在數據中心能耗占比中，制冷系統的能耗占比為 30%至40%。

資料來源：觀研天下整理

液冷技術使用液體取代空氣作為冷媒，為發熱部件進行換熱。相比于傳統的風冷，液體的比熱容高出上千倍，散熱效率大大提升。有數據顯示，液冷系統約比風冷系統節省電量30%—50%，能夠有效幫助數據中心節能降碳。

因此，業內人士普遍認為，液冷服務器將是數據中心在AI大趨勢中“雙碳”背景下的重要解決方案。越來越多的主流IT設備廠商均已公開表明將加大研發力度并加快液冷產品迭代速度，相關解決方案也陸續發布，比如，中興通訊推出了新的G5系列服務器，支持不同的冷板式液冷方案，包括從CPU液冷到內存條散熱+VR液冷等；聯想升級了海神溫水水冷系統，可以實現服務器全水冷無風扇設計；新華三也發布全棧液冷解決方案，包含G6系列服務器、核心路由器、接入交換機；中科曙光子公司曙光數創8月發布了“冷平衡”戰略，是特別針對數據中心算力、成本、能耗三元平衡問題，推出的全棧液冷數據中心技術與全生命周期一站式服務；去年年底華為推出全場景液冷“天成”多樣性算力平臺。今年，華為昇騰再推集成天成液冷的算力集群，可以支持萬卡規模。

國內液冷市場企業布局

資料來源：各公司官網、公司公告、公司年報、觀研天下數據中心整理

觀研天下分析師觀點：數據中心在我國起步晚，仍屬于發展的初期階段水平，對于綜合布線行業而言，其中蘊含著許多機會，不同的數據中心領域對布線產品需求不同，同時，也對其迭代速度提出了相應的要求，未來能夠根據不同的需要快速迭代出布線產品的企業將占據優勢。（LZC）