高功耗、高密度是数据中心的未来 液冷将成AI服务器散热主流方案

一、数据中心行业概述

根据观研报告网发布的《中国数据中心行业发展现状分析与投资前景预测报告（2023-2030年）》显示，数据中心（DataCenter，简称DC），即为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。作为算力基础设施的重要组成部分，数据中心是促进5G、人工智能、云计算等新一代数字技术发展的数据中枢和算力载体，对于数字经济增长具有重要助推作用。

根据服务对象不同，数据中心可以分为国家数据中心（NDC）、企业数据中心（NDC）和互联网数据中心（IDC）；按照规模大小可分为超大型、大型和中小型。

数据中心的分类及相关介绍

资料来源：观研天下数据中心整理

二、不断增长的计算需求和利好政策是数据中心快速发展的主要驱动力

在数字经济时代，数据中心是汇聚着计算资源、网络资源、数据资源的核心枢纽，是国家和企业加速数字化发展的核心引擎和战略资源。近年来，随着 AI、云计算、大数据以及区块链等技术的创新发展，作为信息基础设施的数据中心及通信设备承担的计算量越来越大，对计算效率的要求也越来越高。与此同时，政策利好也在持续加码数据中心投资建设。工信部表示将加快基础设施建设，引导扩大有效投资。推动数据中心集群项目建设，持续优化数据中心布局，加快向高技术、高算力、高效能演进。国家发改委表示，将进一步加大统筹力度，发挥政策叠加效应，加快提升八大算力枢纽的影响力和集聚力，有效带动大数据中心产业上下游投资。

政策助力与需求驱动下，数据中心行业蓬勃发展。IDC预计，全球对于数据中心的建设投资将保持加速增长状态，从建设数量来看，2022-2026年，全球新建数据中心数量将以8.6%的年复合增长率(CAGR) 增长。

三、数据中心加速迈向“绿色低碳”，各地区明确能效优化指标

在碳达峰、碳中和的目标背景下，作为数字经济的坚实“底座”，数据中心的绿色低碳发展已成为大势所趋。2022年，伴随着全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽圈定，我国“东数西算”工程也正式全面启动，各地陆续出台相关政策推动数据中心加速迈向“绿色低碳”转型之路，包括《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》在内的多项政策对数据中心PUE、绿色低碳等级进行规范和约束，全面促进数据中心绿色低碳发展。在此次梳理的近60份政策之中，超六成与数据中心绿色低碳发展相关。半年间，“东部”枢纽因为一直是市场需求和建设的热点，因此所出台的相关政策数量较多，四个枢纽地区共发布了至少37份相关政策。其中，京津冀和长三角是统计中最为关注数据中心绿色化的两个枢纽节点，分别出台了11份和10份相关政策。

具体来看各地区发布的政策，大都提到了能效优化的指标，部分地区明确了区域性或阶段性要求，并对达标企业提供奖励。其中，PUE（数据中心总设备能耗和IT设备能耗之间的比率）作为关键能效考核指标之一被屡屡强调。如《内蒙古自治区“十四五”节能规划》中强调，新建数据中心须达到绿色数据中心建设标准，PUE值（电能利用效率）不超过1.3，并要求推动既有数据中心绿色节能改造，以及制冷、储能等节能技术的发展。

各地数据中心相关绿色低碳建设目标

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四、数据中心进入发展新阶段，引各路资本竞相角逐

过去，数据中心主要负责处理某个特定组织业务运营的输出，比如交易、客户档案、销售详情等，随着数据量爆炸式增长和业务需求的提升，传统数据中心面临着效率低下、能源消耗高且设备不足的难题。基于此，2021年7月，工业和信息化部出台《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》，明确提出要用3年时间，基本形成布局合理、技术先进、绿色低碳、算力规模与数字经济增长相适应的新型数据中心发展格局；同年11月，工业和信息化部发布《“十四五”信息通信行业发展规划》，针对“数据中心算力”“新建大型和超大型数据中心运行电能利用效率(PUE)”等提出了明确指标。

此后，国内数据中心产业发展进入了新的转型阶段，飞速发展的产业吸引了各路资本跨界经营数据中心，液冷、光伏、储能等新型设备厂商进入供应链，市场供给快速增加，其中尤以钢铁企业投资之大吸引目光，江苏沙钢与杭钢集团均采用收购形式切入IDC业务，前者全资控股英国数据中心运营商Global Switch，后者则将目标对准国内，并已增资建设杭州杭钢云计算数据中心。天眼查数据显示，目前我国数据中心相关企业超 156.7 万家，2022 年新增注册企业近 40.2 万家，年度新增注册企业增速达到 35.41%。比于投资既有的数据中心企业，“跨界”面临着更多需要解决的问题，并不是有钱就能建好数据中心。数据中心建设需要考虑多方面的因素，如地理位置、气候条件、电力供应、网络连接、安全防护等。如果没有合适的环境和条件，数据中心建设将面临很多困难和风险。

观研天下分析师观点：数据中心是算力的供给侧，算力之争也是国力之争，所以相关企业的竞争不能只停留在传统计算中那些习惯了的、来自国外的技术做法，而应该在应用生态尚未成熟的时候主动保证自主技术的创新与国外先进技术的平衡。

五、数据中心功率密度逐年提升，散热“革命”势在必行

1、高算力成为芯片主要突破方向，数据中心功率密度进一步提升

数据中心产业链最上游为 IT 硬件和基础设施。其中，芯片是整个 IT 生态最底层的基础硬件，其性能与功耗将极大地影响数据中心的功率密度与运行处理效率。例如，在数据中心，GPU被广泛应用于人工智能的训练、推理、高性能计算（HPC）等领域，90%左右的AI服务器采用GPU作为加速芯片。如果GPU芯片不足，数据中心可能无法满足客户的需求，导致服务中断；CPU芯片也与数据中心密切相关。CPU芯片是服务器的基本组成部分，它对数据中心的影响主要体现在计算能力、能耗效率、数据存储和处理以及安全性等方面。如果CPU芯片出现故障或性能瓶颈，将导致服务器无法正常运行，从而影响数据中心的稳定性和可靠性。另外，存储芯片也在数据中心中发挥着重要的作用。存储芯片负责数据的存储和管理，如果存储芯片出现故障或性能问题，将导致数据丢失或访问速度变慢，从而影响数据中心的正常运行。

当前以 ChatGPT 为代表的人工智能、物联网、超级计算及其相关应用正快速发展，对芯片提出了更高的性能要求，高算力已成为芯片的主要突破方向，为了满足高算力负载的需求，数据中心需要叠加多核处理器或者提高单核心的主频来提高计算密度，但无论哪种方式，都会显著增加IT硬件的处理器功耗，从而使得数据中心功率密度越来越高。

在人工智能和云应用的推动下，如今高端硬件的功耗越来越高，英特尔的“Sky Lake”和AMD的“Rome”等高级处理器功耗升至230-300W，英伟达的GPU功耗更将攀升到600W左右。承载业务的计算需求变化，计算密集型应用场景(例如AI、loT、 区块链以及AR/VR等)的激增，导致承载应用负载的服务器设备功耗大幅增加，数据中心功率密度呈现逐年增大的趋势。根据《2021-2022年度中国数据中心基础设施产品市场总报告》，2021年单机柜功率在10kW以上的数据中心市场规模快速增长，增长率超过10%，其中30kW以上的高密度数据中心增长速度最快，达到31%。预计到2025年，数据中心的x86 CPU 芯片TDP提升至350W左右，ARM CPU芯片的TDP提升至600W左右，而用于人工智能计算的 NPU/GPU 芯片会提升到750W左右。

高端处理器及GPU等芯片功耗越来越高

资料来源：公司官网、观研天下数据中心整理

2、液冷技术优势凸显，或将成为未来主流的散热方式

AI算力功耗越来越高，服务器市场也在不断扩大，在此背景下，传统的风冷散热，已经无法应对，数据中心散热“革命”势在必行。

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其中，液冷散热或将成为未来主流的散热方式。跟传统的风冷系统相比，新的液冷改善了主设备的散热方式，散热效率更高，且具有更节能、噪声更低等优点。同时，液冷对于数据中心的节能降碳也发挥着重要作用。高耗能是数据中心最受关注的负面标签，相关数据表明，国内数据中心占全社会耗电量的比值逐年增加，基本占到全社会用电量的2%-4%，是十足的“吃电”大户，低效率运行的数据中心更加重了这种用能负担，而在数据中心能耗占比中，制冷系统的能耗占比为 30%至40%。

资料来源：观研天下整理

液冷技术使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热。相比于传统的风冷，液体的比热容高出上千倍，散热效率大大提升。有数据显示，液冷系统约比风冷系统节省电量30%—50%，能够有效帮助数据中心节能降碳。

因此，业内人士普遍认为，液冷服务器将是数据中心在AI大趋势中“双碳”背景下的重要解决方案。越来越多的主流IT设备厂商均已公开表明将加大研发力度并加快液冷产品迭代速度，相关解决方案也陆续发布，比如，中兴通讯推出了新的G5系列服务器，支持不同的冷板式液冷方案，包括从CPU液冷到内存条散热+VR液冷等；联想升级了海神温水水冷系统，可以实现服务器全水冷无风扇设计；新华三也发布全栈液冷解决方案，包含G6系列服务器、核心路由器、接入交换机；中科曙光子公司曙光数创8月发布了“冷平衡”战略，是特别针对数据中心算力、成本、能耗三元平衡问题，推出的全栈液冷数据中心技术与全生命周期一站式服务；去年年底华为推出全场景液冷“天成”多样性算力平台。今年，华为昇腾再推集成天成液冷的算力集群，可以支持万卡规模。

国内液冷市场企业布局

资料来源：各公司官网、公司公告、公司年报、观研天下数据中心整理

观研天下分析师观点：数据中心在我国起步晚，仍属于发展的初期阶段水平，对于综合布线行业而言，其中蕴含着许多机会，不同的数据中心领域对布线产品需求不同，同时，也对其迭代速度提出了相应的要求，未来能够根据不同的需要快速迭代出布线产品的企业将占据优势。（LZC）