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為什么風冷已經走到盡頭

上一篇文章聊AI算力，重點在GPU、光模塊、互聯架構。中間提到一點關于風冷到液冷的轉變。我們常常說手機太燙了，電腦一玩游戲就發熱。

因為高頻率工作的時候，芯片啊什么的都會發熱。一旦發熱，就會影響性能，游戲變卡，手機重啟。

那數據中心中，這些芯片跑起來，熱量怎么散？

一塊H100滿載功耗700W，8塊就是5600W，相當于一臺空調的制冷量塞進一個機箱。GB200 NVL72整柜功耗125-130千瓦，GB300 Superchip單顆TDP突破3000W，Rubin平臺直奔200kW+。到了這個量級，風冷已經物理上扛不住了。

具體數字來看，風冷的有效散熱極限是單機柜50千瓦左右。超過這個數字，風扇轉速再怎么優化、風道再怎么設計，邊際收益都趨近于零。

為什么？ 這是物理學本身的限制。

空氣的比熱容是1.005kJ/(kg·K)，密度1.18kg/m3，算下來體積熱容約1.19kJ/(m3·K)。水的比熱容是4.18kJ/(kg·K)，密度1000kg/m3，體積熱容是4180kJ/(m3·K)。

水的體積熱容是空氣的約3525倍。

同樣散掉100瓦熱量，空氣需要0.084立方米/秒的流量，水只需要0.000024立方米/秒。差了約3500倍。

這是物理常數層面的代差，就像用自行車參加賽車比賽，訓練再刻苦也沒用。

熱導率也是同樣道理，水的熱導率是0.6W/(m·K)，空氣是0.026W/(m·K)，相差23倍。熱量從發熱源傳到空氣再排出去，水冷這條路短了23倍。

2026年的AI服務器，GB200 NVL72已經125kW/柜，GB300要到150kW+，Rubin直接200kW+。這些數字意味意味著每建一個新的大規模AI集群，就必須用液冷。

政策方面， 2025年底至2026年初國家層面擬定的《智能算力中心建設規范》相關草案，以及部分省市的地方產業執行文件。例如，江蘇省出臺的算力強基政策中明確設立了「到2026年制冷PUE低于1.15」的預期目標。在此之前，工信部《新型數據中心發展三年行動計劃》等文件將全國樞紐節點的數據中心PUE紅線設定在1.25至1.3之間。監管部門針對2026年節點收緊了能耗指標。

在高密度智算場景與常規氣候區域的疊加條件下，風冷PUE的實測極限停留在1.3至1.4。所以，政策紅線倒逼液冷滲透率快速提升。

單相冷板式液冷

液冷方案里，工程最成熟、商用最快的是冷板式。

原理是金屬冷板貼在芯片背面，冷卻液流過冷板內部的通道，把熱量帶走。芯片的熱量先通過導熱硅脂傳到冷板，再由冷板里的水流帶走。這和發動機水冷是一個邏輯。

當前單相冷板技術的工程應用上限通常在150kWh，是風冷50kW的3倍。PUE可以從風冷的1.3-1.4降到1.15左右。H100機柜用液冷，PUE 1.1，比風冷降低27%。

但問題是目前這個散熱能力仍然不夠

GB300是150kW，Rubin直接200kW+，已經超過了能力上限。就算沒超過上限，單相冷板式液冷自身也有三個物理限制在影響它的發展：

第一個限制：界面熱阻

冷板和芯片之間有一層導熱硅脂（Thermal Interface Material，TIM），這是不可避免的。硅脂的導熱系數約5-10W/(m·K)，遠低于金屬和水的導熱系數。熱量從芯片核心傳導到冷板，必須穿過這個層。

這不僅僅是效率差一點的問題，更麻煩的是，硅脂會老化。長期高溫工作后，導熱效率會逐年下降。數據中心的設計壽命是10-15年，但硅脂的性能衰減可能在第3-5年就開始明顯。運維必須定期更換，拆機檢修成本不低。

不過，現在有一個方向是液態金屬TIM。純銦片或銦/銀合金構成的相變化金屬片，導熱系數高達30-50W/(m·K)，是傳統硅脂的5-10倍，且物理化學性能穩定，無泵出效應，高溫環境下長期工作不衰減。

液態金屬TIM如果大規模商用，單相冷板的散熱天花板和壽命周期都可能向后推延，從而延遲兩相冷板和浸沒式的滲透節奏。

當前液態金屬的成本和工藝兼容性仍是瓶頸，但這是判斷單相冷板「走到盡頭」時間點的關鍵變量。

第二個限制：對流換熱極限

冷板內部的冷卻液通過對流把熱量帶走，對流換熱系數有個理論上限，約50000W/m2·K。

這個數字看起來很大，但芯片的發熱密度更高。

芯片熱流密度已經超過120W/cm2，換算成單位面積就是1200000W/m2。對流換熱系數50000W/m2·K，

工程師能做的，是在冷板內部做文章。把通道做窄、做密、做表面處理，讓冷卻液在單位體積內吸收更多熱量。這就是「微通道冷板」的技術方向。

第三個限制：壓降與汽蝕

微通道的好處是換熱效率高，但代價是冷卻液流動的阻力急劇增大。通道越窄，液體越難流過去，壓降呈指數級上升。

實測數據是微通道冷板的壓降可以達到200-300kPa。壓降大，就需要更大功率的泵來推動液體，增加能耗和系統復雜度。

另外一個是 汽蝕 冷卻液在通過狹窄通道時，局部流速很高、壓力很低，如果壓力低于水的飽和蒸汽壓，水會瞬間汽化，形成氣泡。這個會形成兩個影響， 氣泡破裂時產生的高壓沖擊波會沖刷冷板內壁，時間長了金屬表面會形成蜂窩狀腐蝕。更嚴重的是，氣泡會阻斷局部熱傳遞，導致局部熱點溫度急劇上升

流體在極窄通道內高負荷運行，摩擦阻力急劇上升與局部壓力失衡是物理必然。這些現象在工程界有成熟的對抗手段，配置大功率液冷泵、維持高水平的系統基礎水壓、優化內部流道幾何倒角。

因為對抗壓降與汽蝕現象需要持續增加水泵機械能耗、提升管路系統耐壓材料標準并引入復雜的流體壓力監控機制，所以這兩個物理問題在現實中直接轉化為單相冷板系統不斷攀升的總體擁有成本（TCO）。當這種為克服工程挑戰而付出的疊加成本，超過兩相液冷或浸沒式液冷的建設與運營投入時，單相冷板技術就會達到其商業應用極限。

兩相冷板式液冷

兩相冷板式液冷是面向2026-2027年極高密度算力場景的定制化演進方案。

兩相是什么概念？冷卻液在冷板內部發生相變，從液體變成氣體，再從氣體變回液體。整個換熱過程不靠顯熱傳遞（液體溫度升高帶走的熱量），而是靠潛熱（相變過程吸收/釋放的熱量）。

水燒開到沸騰，100℃的水變成100℃的水蒸氣，吸收的熱量是同質量水溫度升高100℃所需熱量的5.4倍。相變能攜帶的熱量，比單純升溫多一到兩個數量級。

兩相冷板式液冷的核心指標「臨界熱流密度」（Critical Heat Flux，CHF）是多少？實測385W/cm2。這個數字比單相冷板的極限高了將近7倍，可以覆蓋2kW級芯片的散熱需求。

GB300 Superchip TDP突破3000W，VR300 TDP預計3600W，兩相冷板剛好是它的工程邊界解。

當GB300 Superchip與未來的VR300 TDP突破3000W甚至3600W時，兩相冷板提供了技術層面的解法。其PUE可降至1.08-1.12。但這套系統的初始建設成本高昂，且面臨以下嚴苛的工程限制：

一、膜態沸騰：超過CHF即失控

超過臨界熱流密度CHF之后，會發生膜態沸騰。正常沸騰是液體直接接觸高溫表面，在表面產生氣泡，氣泡脫離后被冷卻液帶走。膜態沸騰是氣體在高溫表面形成一層連續的氣膜，把液體隔在外面。氣膜的熱導率是液體的幾十分之一，傳熱效率急劇下降，表面溫度可能從100℃跳到幾百度。

這不只影響散熱效率，還可能直接燒毀芯片。所以兩相冷板的設計必須留足安全裕度，實際能穩定使用的熱流密度要控制在CHF的70%以內，也就是270W/cm2左右。

二、冷卻液選擇極窄

水無法作為兩相冷板的冷卻介質。因為常壓下水的沸點高達100℃，系統必須維持極高的真空度才能讓水在芯片安全工作溫度（約60-80℃）內沸騰，所以維持深負壓帶來的泄漏風險與工程代價直接排除了水的應用可能。工程上只能選擇低沸點的特種電子氟化液。這類液體必須同時滿足沸點適中、環保合規、絕緣與低腐蝕性，候選范圍極窄且成本高昂。

三、兩相流動穩定性

氣液兩相混合流動時， 流型會隨芯片負載的劇烈波動而頻繁切換，泡狀流、彈狀流、環狀流、霧狀流，不同流型的換熱特性差異巨大。

在寬工況范圍內（比如芯片負載從10%到100%劇烈波動）保持穩定換熱，是控制系統設計的難點。

浸沒式液冷

當單相冷板不夠用、兩相冷板也快到頂的時候，工程師的思路是，干脆把整個服務器泡進冷卻液里。

這是浸沒式液冷。

最大的好處是取消了所有物理隔離。芯片、PCB、內存全部浸在冷卻液里，熱量直接從發熱源傳到冷卻液，沒有任何界面熱阻、邊界層熱阻。散熱效率的上限不再是工程設計的妥協，是冷卻液本身的導熱系數和比熱容。

單相浸沒式的散熱上限約130kW+/柜，PUE 1.05-1.1。兩相浸沒式更激進，冷卻液沸騰后蒸汽在冷凝器里液化回流，散熱上限可以達到400kW+/柜（實驗室數據），PUE低至1.03。

理論上，這是當前技術路線里散熱能力最強的方案。

但為什么沒有大規模鋪開？因為有三個核心工程局限：

一、池沸騰物理限制帶來的定制封裝成本

兩相浸沒式液冷在光滑芯片表面，CHF只有10-20W/cm2。對比一下，單相冷板式50-80W/cm2，兩相冷板式385W/cm2，兩相浸沒式反而只有10-20W/cm2。

為什么？因為氣泡在光滑垂直表面很難脫離。芯片表面產生的氣泡會附著在表面，合并成一層氣膜，阻斷冷卻液接觸，就是前面說的膜態沸騰。

兩相冷板有強制對流幫忙把氣泡帶走，浸沒式沒有這個外力。

工程師必須在芯片表面加工微結構（如微針、微槽）以促進氣泡脫離。這種表面強化工藝直接推高了芯片封裝的定制成本。在大尺寸芯片（面積>800mm2）上，氣泡脫離路徑加長會導致沸騰不均勻，局部熱點控制難度極高。

這個工藝是額外的成本，而且結構設計需要針對具體芯片封裝定制。

二、特種冷卻介質造成的高昂初始建設成本

兩相浸沒式系統依賴低沸點氟化液作為冷卻介質。

3M的Novec 7100沸點61℃，介電常數低（可以浸泡電子元件不短路），臭氧消耗潛值為零，全球變暖潛值低。性能參數完美，但3M在2023年宣布停產。

氟化液國產替代的玩家包括巨化股份（國內市占35%，一期產能1000噸/年，規劃8000噸）、東陽光、龍蟠科技。八億時空也在做。

價格方面，3M停產前FC-770和Novec-7200售價分別高達64萬元/噸和51萬元/噸。國產替代釋放后價格大幅回落，當前核心采購均價仍在20萬元/噸左右。即便考慮遠期產能全面釋放后的極低成本區間，短期內也難以跌破10萬元/噸。

浸沒式液冷的冷卻液價值量占比近60%。一個機柜需要多少冷卻液？估算約500-1000升，氟化液密度約1.6-1.8kg/L，折合800-1800kg。按當前20萬元/噸的采購均價計算，光是冷卻液，一個機柜就是16-36萬元。加上配套的冷凝器、密封系統、泵、閥，整個方案成本比冷板式高2-3倍。

三、 物理形態導致的極低運維效率

服務器出問題了怎么辦？冷板式可以直接拔出來更換，浸沒式必須把整個機箱從冷卻液里撈出來。

排液一次需要4-6小時，期間服務器不能運行。這對于需要24小時在線的AI訓練集群來說，是有極大影響的。

氟化液還會蒸發。沸騰的冷卻液蒸汽需要冷凝器回收，排風系統要處理。密封要求也高，氟化液蒸氣吸入對人體有害。

綜合來看，浸沒式液冷的定位是極致散熱場景的終極方案，但受制于成本和運維，只適合超大規模、高功率密度的特定場景，比如超級計算機、或者大型AI云廠商的核心訓練集群。

它的滲透率提升，需要等待氟化液國產替代帶來的成本下降，以及模塊化設計的成熟。業內預計，國產工質成本降至5萬元/噸以下（約當前采購均價的1/4），浸沒式的經濟性才能大規模鋪開。這個時間窗口估計在2028-2029年。

芯片級微流控

當前所有液冷方案，不管冷板還是浸沒，都有一個共同特點，冷卻液和芯片之間有物理隔離。

芯片封裝在PCB上，冷卻系統貼在封裝外殼外面，熱量必須穿過封裝、硅脂（或焊料）、金屬蓋板才能傳到冷卻液。每一層都是熱阻。

芯片級微流控的思路是全面移除這個宏觀隔離層。

怎么做？在芯片背面蝕刻微通道，寬度50-100微米，深度100-200微米，冷卻液直接流經芯片內部，「芯片即散熱器」。

這個方案實測的散熱能力可以做到250W/cm2， 雖然這一絕對數值未超越兩相冷板的理論極限，但因為冷卻介質直接接觸發熱源，所以其實測熱點溫度比傳統冷板系統低65℃。對于3nm以下工藝、功率密度極高的AI芯片而言，這種極致的結溫控制能力是維持算力穩定輸出的關鍵 。

盡管學術界已有20年研究基礎，這項技術未能實現商業量產的原因在于極高的流體阻力與系統脆弱性。因為微米級通道的壓降比常規系統高出兩個數量級，所以驅動冷卻液循環需要極高的水泵能耗。同時，極細微通道一旦發生顆粒物堵塞，缺乏修復手段將直接導致整顆高價值芯片報廢。

臺積電、英特爾與三星等晶圓制造廠正推進將微流控集成至3D封裝工藝。因為跨越實驗室階段必須解決晶圓級制造良率、蝕刻成本與半導體工藝兼容性等工程難題，所以芯片級微流控在2030年前無法進入主流商業市場。這項技術的產業價值在于指明了液冷演進的「最終局」：冷卻介質必須與半導體硅片實現物理層的深度融合。

BOM成本拆解

講了四代技術演進，現在算賬。

一臺GB300整機柜液冷系統，液冷相關BOM占整機成本30%-40%，約7-10萬美元/柜。這個比例相當驚人，液冷不是配套件，是核心成本項。

單機柜液冷系統（90kW基準，2026年價格）約56-61萬元，折合每千瓦約6500元。

這個數字高嗎？風冷方案每千瓦約2000-3000元。液冷是風冷的2-3倍。

不過需要注意的是， 液冷系統的工程造價與設計復雜度呈超線性增長。因為流體力學中流體阻力與流速呈非線性正相關，芯片功耗翻倍所需的冷卻液流量加倍，必然導致水泵能耗呈立方級飆升并迫使管路密封架構進行高規格升級，所以系統克服熱力學瓶頸的投入遠超算力密度的自然增速。

這種由物理規律決定的高成本，正催生一個未被存量替代邏輯稀釋的純增量市場。因為風冷在物理層面已無法覆蓋新建AI算力集群的極高發熱需求，所以當前的百億級市場規模完全由新增基礎設施建設驅動。國盛證券數據顯示，全球NVIDIA液冷市場將從2026年的100億美元攀升至2028年的150-200億美元，CSP自研液冷市場亦將在同期從40億美元增至70億美元。

中國市場的爆發軌跡與全球高度協同。2024年國內智算中心液冷規模達184億元，預計2029年將激增至1300億元。對于2028年的細分技術路線，東吳證券與山西證券在冷板式（253億與641億）與浸沒式（729億與256億）的具體測算上存在顯著分歧。但因為各機構對液冷在新建數據中心滲透率急速攀升的底層假設完全一致，所以國內液冷市場維持高速擴張的產業趨勢具備絕對確定性。

現在拆解液冷系統內部的BOM結構：

部件

占比

毛利率

冷板

35%-41%

25%-30%

CDU（冷卻分配單元）

25%-32%

40%-60%

快接頭（UQD）

14%-15%

40%-60%

Manifold（分液歧管）

13%

30%-40%

冷卻液

10%-20%（浸沒式更高）

40%-60%

管路/施工/監控

15%-20%

20%-30%

冷板是價值量最大的單一環節，但毛利率最低（25%-30%），因為競爭激烈、附加值有限。CDU（Coolant Distribution Unit，冷量分配單元）和快接頭是利潤最厚的環節，毛利率40%-60%，壁壘在于know-how和認證。

這里的關鍵邏輯是 準入壁壘遠高于技術壁壘。

液冷系統不是獨立產品，是和服務器深度耦合的子系統。英偉達的NPN（Nvidia Partner Network）認證、云服務提供商的供應商認證、ODM（原始設計制造商）的工程驗證，三道認證缺一不可。新進入者就算有技術能力，沒有三到五年的認證周期和項目積累，進不去核心供應鏈。

這里面最關鍵的是 AVL（Approved Vendor List，認證供應商名錄） 。AVL是英偉達等巨頭數據中心供應鏈的入場券，必須經過完整的認證測試、質量審核、可靠性驗證流程，通常3-5年周期。一旦進入AVL，意味著客戶切換供應商的成本極高（重新認證、產線驗證、可靠性跑批），相當于拿到了護城河。沒進AVL的廠商，哪怕產品參數完全一樣，也吃不到核心訂單。

更要注意的是，AVL和「生態合作伙伴」是兩碼事。舉個栗子，英維克目前是英偉達MGX生態推薦名單上的合作伙伴，訂單需要通過服務器廠商間接獲取。之前有些券商研報將英維克列為了tier1的供應商，但事實上最近被董秘否定了。

國內格局和投資關注點

總結產業鏈的投資邏輯，可提煉為以下幾個維度：

第一，絕對價值量持續攀升。

因為單機柜算力密度每隔18-24個月發生翻倍式增長，所以即使零部件單位功率成本下降，系統總工程造價依然急劇上升。GB200液冷系統造價達7-10萬美元/柜，未來新架構造價將更高。液冷環節具備量價齊升的商業屬性。

第二，需求確定性雙重疊加。

英偉達把液冷寫進Rubin交付標準是平臺拐點。云廠商CSP自研ASIC集群（Google TPU、亞馬遜Trainium、微軟Maia）同樣需要液冷是需求拐點。兩相冷板2026-2027規?；]式2028-2029成本臨界，兩條技術路線接續，需求沒有斷檔期。

第三，認證層級決定利潤分配。

三到五年的認證周期，加上服務器深度耦合的產業特征，決定了新進入者很難撼動現有格局。但同樣的認證層級決定了你能分到多少收益。 基于認證壁壘的投資優先級排序：

• 特種材料紅利層（優先級最高） ：冷卻液環節占據極高的單柜BOM成本。因為海外巨頭3M加速退出市場，所以具備特種氟化液量產能力的國產替代企業（如 巨化股份、東陽光 ）擁有最強的業績爆發潛力。

• 核心AVL壁壘層 ：直接進入核心客戶認證供應商名錄（AVL）的部件商。因為訂單確定性強且享有技術溢價，其高利潤率已在業績中初步驗證（如 鼎通科技、高瀾股份、中石科技 ）。

• 生態與品牌標簽層 ：僅列入生態推薦名單而非直接供應鏈的部件商。雖然具備市場品牌聲量，但因為訂單需通過服務器廠商間接獲取，所以存在顯著的業績兌現風險（如 英維克 一季度凈利大幅回落）。

• 系統集成與代工層 ：處于價值鏈底端的環節。因為面臨最低的技術門檻與最弱的議價權，其實際利潤率被嚴格壓制（如 工業富聯、領益智造、曙光數創 ）。

第四，Follow the CapEx

四大科技巨頭2026年AI CapEx合計約6500億美元，同比增60%-74%。這些錢花出去，最終變成服務器、機柜、冷卻系統。液冷是算力擴張的剛性被動受益者， 投資決策直接取決于核心客戶基礎設施的建設進度，無需受制于下游AI軟件應用的商業化落地情況 。

同時，行業的風險也需要知道。

下游客戶集中度高（英偉達+五大云廠商）， 導致國內液冷零部件供應商議價能力受限。

技術路線存在不確定性（兩相vs浸沒的滲透節奏）；國產替代的進度取決于成本下降曲線；全球液冷產業份額以北美為主（35%-37%），中國增速最快（CAGR 22.8%）。

但上限受制于下游集中度，芯片設計在英偉達，服務器在ODM，液冷廠商能切到的蛋糕有限。 全球液冷產業高附加值份額集中于北美，國內廠商的利潤率天花板長期受制于ODM代工模式與較低的核心技術壁壘

最后，回到first principle，還是可以保持相對樂觀的是，目前來看，AI算力密度每隔18-24個月翻倍，散熱是物理瓶頸，液冷是唯一已知解法。這一核心物理約束不變，產業趨勢就不會變。

作者：坦桑尼亞老云 | 編輯：栗加

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