【西南证券】人工智能专题研究：温控液冷——AI加速打开增量空间.pdf

2024-03-12

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1 液冷技术概述

液冷定义

液冷是一种采用液体带走发热器件热量的散热技术。液冷技术利用了液体的高导热、高热容特性替代空气作为散热介质，适用于需提高计算能力、能源效率、部署密度等应用场景。

液冷技术分为接触式及非接触式两种。非接触式液冷是指冷却液体与发热器件不直接接触的一种液冷实现方式，包括冷板式等具体方案。接触式液冷是指将冷却液体与发热器件直接接触的一种液冷实现方式，包括浸没式和喷淋式液冷等具体方案。其中，浸没式液冷又可根据冷却液是否转为为气态划分为单相浸没式液冷和两相浸没式液冷，两相浸没式液冷控制更复杂、要求更高。当前，冷板式液冷、单相浸没式液冷为主要形式。液冷系统通用架构及原理如下图所示；室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液；室内侧包含CDU、液冷机柜、ICT设备、二次侧管网和二次侧冷却液。

液冷技术分类

当前液冷技术包括冷板式、浸没式、喷淋式等类型。其中，冷板式液冷技术在可维护性、空间利用率、兼容性方面具有较强的应用优势；但在成本方面，由于其单独定制冷板装置的原因，导致技术应用的成本相对较高。而喷淋式液冷技术则通过改造旧式的服务器和机柜的形式，大幅度减少了数据中心基础设施的建设成本。浸没式技术与其他两种技术相比，虽然器件的可维护性和兼容性较差，但空间利用率与可循环方面具有较好的表现，降低数据中心的能耗。

冷板式液冷是一种非接触式的液冷技术。该技术通过液冷板（通常为铜铝等导热金属构成的封闭腔体）将发热器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种散热形式。冷板式液冷系统主要由冷却塔、CDU、一次侧&二次侧液冷管路、冷却介质、液冷机柜组成；其中液冷机柜内包含液冷板、设备内液冷管路、流体连接器、分液器等。冷板式液冷散热原理：1.液冷板与芯片贴合；2.芯片设备热量通过热传导传递到液冷板，工质在CDU循环泵的驱动下进入冷板，之后在液冷板内通过强化对流换热吸收热量。

液浸没式液冷是一种接触式的液冷技术。该技术以冷却液作为传热介质，将发热器件完全浸没在冷却液中，发热器件与冷却液直接接触并进行热交换的制冷形式。浸没式液冷系统室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液；室内侧包含CDU、浸没腔体、IT设备、二次侧管网和二次侧冷却液。使用过程中IT设备完全浸没在二次侧冷却液中，因此二次侧循环冷却液需要采用不导电液体，如矿物油、硅油、氟化液等。按照热交换过程中冷却液是否存在相态变化，可分为单相浸没液冷和双相浸没液冷两类。其中，单相浸没式液冷技术作为传热介质的二次侧冷却液在热量传递过程中仅发生温度变化，而不存在相态转变，过程中完全依靠物质的显热变化传递热量。

双相浸没式液冷作为传热介质的二次侧冷却液在热量传递过程中发生相态转变，依靠物质的潜热变化传递热量。其传热路径与单相浸没液冷基本一致。主要差异在于二次侧冷却液仅在浸没腔体内部循环，浸没腔体内顶部为气态区、底部为液态区：IT 设备完全浸没在低沸点的液态冷却液中，液态冷却液吸收设备热量后发生沸腾，汽化产生的高温气态冷却液因密度较小，会逐渐汇聚到浸没腔体顶部，与安装在顶部的冷凝器发生换热后冷凝为低温液态冷却液，随后在重力作用下回流至腔体底部，实现对 IT 设备的散热。

液冷产业链

液冷数据中心上游主要为产品零部件，包括接头、CDU、电磁阀、TANK、maniflod等。中游主要为液冷服务器，也是产业链的核心。下游行业主要包括互联网、金融、电信、政府、交通和能源等信息化程度相对较高的行业，涵盖智慧计算、电子政务、企业信息化、关键应用以及民生等相关领域，包括三大电信运营商，以及腾讯、阿里巴巴等互联网大型企业。

2 液冷行业分析

数据中心领域存在问题

数据中心面临能耗高和散热冷却难两大问题。依托区域能源供应优势和自然环境优势可降低数据中心的用电和散热冷却成本，在能源供应紧张、自然环境不利等现实条件下，破解散热难与高能耗瓶颈，发展绿色高能效数据中心成为行业共识。绿色高能效数据中心需同时实现产热移热速率匹配及能源利用效率提升两个目标，发展和应用新型散热冷却技术成为未来我国数据中心高能效绿色化运行的重中之重。

数据中心连续稳定运行是基本目标，实现该目标的关键问题是产热与移热速率相匹配。随着单位服务器机柜包含的服务器数量增多，机柜发热量与日俱增，对散热冷却系统的要求不断提高。如右图所示，目前发展的散热冷却技术主要有风冷和液冷两大类，在机柜功率密度不断提高的大数据时代，要求散热冷却设备及方式的不断创新，提升移热速率。

数据中心散热发展路径

散热冷却需要消耗能量，移热速率的增大势必需考虑能源利用效率问题。衡量数据中心总体能耗水平的指标为能源利用效率（PUE），定义为数据中心总能耗与信息技术设备能耗的比值。在相同IT功耗下，PUE值越接近1，表明其非IT功耗越低，能源利用率越高。如下左图所示，数据中心的总能耗由供配电、照明、散热冷却和IT设备功耗等构成。如下右图所示，当前，我国数据中心能量消耗中的43% 用于散热冷却（对应数据中心PUE值大于2），冷却成本高，节能潜力大。

数据中心液冷技术发展现状

液冷技术影响着数据中心的设计、选址、建设、交付和运维。数据通信设备的液体冷却系统的冷却子系统可以认为是一种液体回路，其中冷却液体与要冷却的部件做热交换。有些情况下，冷却系统的水由机架由CDU提供，也可以由服务多个机架的外部CDU提供。

数据中心液冷系统多样，冷板冷却系统为主。国内外在数据中心液冷方面已有一定研究基础并已取得了突破性进展，正成为变革性技术。液冷技术根据液体与IT设备接触状态，可以分为间接液冷、直接单相液冷和直接两相液冷三类。其中间接冷却中的冷板冷却是如今液冷数据中心采用最广泛的散热冷却方式。

目前数据中心散热需求下，冷板冷却效果最佳。如图所示，冷板冷却是将金属冷板与IT设备芯片贴合，液体在冷板中流动，芯片发热时将热传导给冷板金属，液体流过冷板时升温，利用显热将芯片热量带出，通过管道与外界冷源进行换热，是芯片级别的冷却方式，使用最多的冷却介质是水。冷板冷却是如今液冷数据中心采用最广泛的散热冷却方式，使用的是液冷和风冷相结合的方法，对芯片采用液冷，对硬盘等其他电器元件采用风冷，并非严格意义上的单纯液冷。与风冷最多冷却30 kW/r的机柜对比，冷板能冷却小于45 kW/r的机柜更节能且噪音小，不需要昂贵的水冷机组，与纯液冷对比也有一定优势。

液冷技术形式转变

技术应用不断拓展，从机械领域到数据中心。液冷技术并不是首先在数据中心行业开展起来的，其最初的应用可以认为是机械加工行业的冷却润滑液，后期又被应用于电力变压器冷却。现如今数据中心领域的液冷技术是液冷技术的应用发展，与电子技术的芯片冷却方案是相关，即高热流密度的冷却解决方案。

散热需求急剧升高，芯片级液冷已然成为趋势。散热设备越来越贴近芯片等核心发热源是重要趋势。未来散热预计将从房间级、机柜级、服务器级向芯片级演进，通过散热部件与芯片表面直接接触实现更好的芯片散热。在政策和需求带动，以及以人工智能为代表的新兴行业快速推动下，液冷服务器以及芯片级液冷有望快速成为高成长性赛道，行业具有广阔的市场空间。

数据中心规模预测

市场因素利好，规模有望上扬。目前，我国数据中心产业处于云中心深化阶段，未来10年我国IDC产业仍有价值空间，预计“十四五” 内复合增速保持25%左右。在这20年中，国内数据中心产业整体发展走势从高速成长期进入平稳发展期，经历了两次降速拐点，2021 年开始在数字经济深化发展、东数西算等多要素推动下迎来科技潮涌期，呈现短周期性提速拐点；进入2023年，伴随着投资泡沫下的低价竞争、东数西算建设中对PUE、上架率等指标约束趋严以及 AI 算力需求剧增等利好因素（当前整体业态还处于初始期）交叉作用下，预计十四五末会迎来新一轮规模上扬。

不同制冷方式成本测算

冷板式液冷系统在初始投资成本和后续运营成本上均具优势。据CDCC数据中心测算，在初始投资阶段，液冷系统由于功率密度增加，CAPEX就已经具备优势；而在后续运维过程中，风冷系统OPEX相对更高的原因主要为电费。按数据中心生命周期为10年进行测算，冷板和单相浸没液冷系统相对风冷系统分别降本15%和8%，其中冷板液冷系统在TCO上优势明显。

3 液冷相关公司分析

英维克：领先的精密温控节能产品提供商

深圳市英维克科技股份有限公司是技术领先的精密温控节能方案与产品提供商，国家级高新技术企业。以深圳市英维克科技股份有限公司为龙头，下属英维克信息、英维克软件、英维克精机、英维克健康、英维克智能连接、上海科泰、深圳科泰、苏州英维克、北京英维克等多家子公司，英维克凭借突出的技术创新能力及平台化运作优势，与行业内优秀企业形成了长期战略伙伴关系，在业界积累起良好口碑。

英维克已构建起多领域业务布局:产品及服务涵盖数据中心温控、储能温控、液冷及电子散热、机柜空调、数据中心集成，冷链温控、新能源及轨交空调，室内空气环境控制等领域，广泛应用于数据中心、储能电站、通信、智能电网，冷链运输、新能源车、轨道交通，智慧教育、家居、医疗等行业。通过在各地设立市场及服务机构，英维克构建了覆盖全国及全球重点区域的市场和售后服务网络。作为华为、中兴、Eltek等国内外知名企业的主流供应商，英维克产品广泛服务于中国联通、中国电信、中国移动、 Sprint、 SoftBank、BT等通信运营商，和腾讯、阿里巴巴、百度、秦淮数据、上海数据港、万国数据等客户，超过3000000套 ICT高效制冷与自然冷却产品遍布全球。

盈利能力显著提升，降本增效成果卓著。由于公司机房及机柜温控等重大项目完成交付，2023年前三季度公司营收及净利润实现快速增长。前三季度毛利率超32%，净利率超10%，公司成本侧的改善和业务的持续优化效果明显，降本增效效益仍有上涨空间。

液冷板块加快扩张，算力散热需求增长。 AI浪潮背景下算力需求逐步扩大，数据中心能耗及功率密度随需求不断上升，普遍面临高能耗和散热冷却难两大问题，传统风冷技术已无法满足当今巨大散热需求，液冷将成为数据中心散热首选目标。公司在液冷业务领域已完成平台化布局，作为第三方数据中心温控厂商提供全方位液冷方案，因此近年营收和归母净利润不断扩大，业务结构温控节能设备占比逐年上升。

高澜股份：聚焦全场景热管理技术创新和产业化

广州高澜节能技术股份有限公司简称高澜股份，是中国最早聚焦热管理技术创新和产业化应用的企业之一，是节能技术在我国新兴产业发展的亲历者和推动者。数据来源：公司官网，西南证券整理高澜股份为国家电网、南方电网、中国西电、普瑞工程、许继电气、南瑞集团、特变电工，金风科技、远景能源，明阳能源、中国中车、ABB、宁德代、比亚迪、国轩高科、广汽、小鹏汽车、国网时代、时代星云、一线互联网企业、关键服务器设备厂等国内外知名企业提供配套产品、技术及服务，并与他们建立了稳定的合作关系。高澜产品已在全球六大洲的30多个国家或地区稳定运行。高澜股份将以“推动节能技术进步，致力人类可持续发展”为愿景，用智慧不断持续创新，为推动绿色低碳经济发展而不懈努力。

高澜股份聚焦电力电子热管理新能源汽车热管理、信息与通信热管理，热管理、特种行业热管理及综合能源效管理，为可再生源发电、直流输电、柔性直流输电、柔性交流输变电、新能源汽车、信息与通信、边缘计算、轨道交通、油气输送、钢铁化工、医疗、舰船、

24-25特高压进程加速，公司营收、利润有望向好。 2023年前三季度，公司营收4.03亿元，同比-72% ；归母净利润-496万元，同比436%。变动主要由于东莞硅翔不再并表。剔除硅翔出表影响，叠加24-25年特高压迈入高速建设期，我们预计公司营收情况逐步回暖。近期由于原材料涨价、可转债利息费用等影响，公司利润短期承压，未来有望逆转向好。

水冷产品逐步减少，液冷板块持续扩张。公司近几年逐步优化调整自身产业结构，传统纯水冷产品从2019年的82.64%降为2022 年的15.05%，液冷业务逐年上升，目前占比已超30%，由于AI浪潮带来的数据算力需求激增，未来有望持续增长。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）