在高性能計(jì)算和人工智能訓(xùn)練需求驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心正面臨著散熱挑戰(zhàn)。液冷技術(shù)之所以能勝任，關(guān)鍵在于液態(tài)冷卻介質(zhì)擁有的遠(yuǎn)超空氣的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

而根據(jù)冷卻介質(zhì)在工作過程中是否發(fā)生物態(tài)變化，液冷技術(shù)被劃分為單相液冷、兩相液冷和相變液冷等不同技術(shù)路徑，其背后是截然不同的熱物理原理與應(yīng)用邏輯。

1、單相液冷：恒定的液態(tài)循環(huán)

單相液冷是概念上蕞為直觀、目前應(yīng)用較為廣泛的一種形式。其核心特征是：冷卻介質(zhì)在整個(gè)循環(huán)過程中始終保持單一的液態(tài)，不發(fā)生相態(tài)變化。

其工作原理類似于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)：液態(tài)冷卻液（通常是去離子水、專用電介質(zhì)液體或乙二醇水溶液）被泵送至發(fā)熱的電子元件（通過冷板或直接接觸），吸收熱量后溫度升高，但并未沸騰汽化。升溫后的液體被輸送至外部換熱設(shè)備（如冷卻塔、干冷器），將熱量釋放到環(huán)境中，降溫后再次循環(huán)使用。

單相液冷主要依靠液體的顯熱（即溫度變化所吸收或釋放的熱量）進(jìn)行散熱。其系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制邏輯直觀。冷板式液冷是單相液冷的典型代表，它通過金屬冷板間接接觸芯片，結(jié)構(gòu)可靠，兼容性較好。

但單相液冷的散熱能力受限于液體的比熱容和允許的溫升范圍。為了帶走大量熱量，要么需要非常大的流量，要么允許冷卻液有較大的進(jìn)出口溫差，這兩者都可能帶來系統(tǒng)能耗或設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。

2、兩相傳熱與兩相液冷：利用沸騰潛熱

當(dāng)液體在吸收熱量的過程中發(fā)生沸騰，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這一過程被稱為兩相傳熱�；�于此原理的冷卻技術(shù)可稱為兩相液冷。

其物理優(yōu)勢(shì)在于利用了液體的相變潛熱。物質(zhì)在相變時(shí)（如從水變?yōu)樗�蒸氣），�?huì)在溫度幾乎不變的情況下吸收或釋放巨大的熱量。水的汽化潛熱約為其升高100℃所需顯熱的5倍以上。這意味著，兩相系統(tǒng)可以用更小的介質(zhì)流量和更小的溫升，帶走同樣多的熱量，理論上散熱效率更高。

在兩相液冷系統(tǒng)中，冷卻液流經(jīng)發(fā)熱表面時(shí)被加熱至沸騰，產(chǎn)生氣泡或蒸氣。這些氣液混合物被引導(dǎo)至冷凝器，蒸氣重新凝結(jié)為液體，釋放出潛熱，完成一個(gè)循環(huán)。

在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可控的沸騰傳熱對(duì)工質(zhì)特性、系統(tǒng)壓力控制、流道設(shè)計(jì)的要求比單相系統(tǒng)復(fù)雜得多。微通道沸騰、噴霧冷卻等技術(shù)都屬于兩相傳熱的范疇，它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室或特定領(lǐng)域展現(xiàn)了散熱潛力，但在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的工程化應(yīng)用仍面臨可靠性和成本控制的挑戰(zhàn)。

3、相變液冷：特指浸沒式相變冷卻

在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，相變液冷通常特指一種具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式：浸沒式相變冷卻。這是兩相傳熱原理的一種規(guī)�；�工程應(yīng)用。

其工作方式是將整個(gè)服務(wù)器或其主要發(fā)熱部件直接浸沒在裝有低沸點(diǎn)氟化液等電介質(zhì)液體的密封箱體中。服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，芯片等高溫部件使與之接觸的液體迅速沸騰，產(chǎn)生蒸氣。蒸氣上升至箱體頂部的冷凝管（管內(nèi)流動(dòng)著來自外部的冷卻水），遇冷重新凝結(jié)為液體，滴落回箱體底部，形成自然的相變循環(huán)。

這種技術(shù)的特點(diǎn)是：

散熱密度高：直接接觸和相變潛熱使得它能應(yīng)對(duì)JI高熱流密度。

均溫性好：沸騰過程的溫度基本維持在液體的沸點(diǎn)附近，使電子元件處于一個(gè)非常均勻的溫度環(huán)境中。

簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)：服務(wù)器無需風(fēng)扇和散熱鰭片，可以設(shè)計(jì)得更緊湊。

然而，相變浸沒式冷卻也帶來系統(tǒng)復(fù)雜性：需要密封箱體、控制內(nèi)部壓力以調(diào)節(jié)沸點(diǎn)、處理不凝性氣體、以及選擇環(huán)境友好且性能穩(wěn)定的工質(zhì)，其初投資和運(yùn)維模式與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施差異較大。

4、技術(shù)比對(duì)與場(chǎng)景考量

這三種技術(shù)路徑并非簡(jiǎn)單的升級(jí)替代關(guān)系，而是基于不同熱工原理，適用于不同場(chǎng)景的解決方案。

從系統(tǒng)復(fù)雜度看，單相（特別是冷板式）系統(tǒng)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合度較高，易于理解和接受。兩相系統(tǒng)與相變浸沒式系統(tǒng)則引入了相變控制，復(fù)雜程度增加。

從散熱能力看，利用潛熱的兩相和相變技術(shù)，在應(yīng)對(duì)單位面積發(fā)熱量巨大的芯片時(shí)，理論上限更高。單相液冷則通過優(yōu)化流道設(shè)計(jì)和大流量，也能滿足當(dāng)前多數(shù)高功率芯片的需求。

從適用場(chǎng)景看，單相冷板式液冷更適合對(duì)現(xiàn)有風(fēng)冷服務(wù)器進(jìn)行改造或用于部分液冷的混合架構(gòu)。相變浸沒式冷卻則更適用于從芯片級(jí)開始全新設(shè)計(jì)的、追求JI致功率密度和能效的智算中心或超算系統(tǒng)。兩相系統(tǒng)則在一些對(duì)重量和體積敏感的特殊領(lǐng)域（如航空航天電子設(shè)備冷卻）有應(yīng)用。

5、未來展望：混合與準(zhǔn)確化應(yīng)用

未來，數(shù)據(jù)中心的冷卻方案很可能走向混合與準(zhǔn)確化。在一個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)，可能根據(jù)服務(wù)器負(fù)載的不同，混合使用風(fēng)冷、單相液冷和相變液冷。

例如，對(duì)AI訓(xùn)練集群采用相變浸沒式冷卻，對(duì)通用計(jì)算服務(wù)器采用單相冷板式液冷，對(duì)存儲(chǔ)等低功耗設(shè)備仍采用改良的風(fēng)冷。關(guān)鍵在于通過數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)整體能效蕞優(yōu)。

同時(shí)，隨著芯片技術(shù)的演進(jìn)，散熱設(shè)計(jì)可能從“后置考慮”轉(zhuǎn)向“前置協(xié)同”。液體冷卻不再僅僅是基礎(chǔ)設(shè)施，而是與芯片封裝、板卡設(shè)計(jì)深度耦合，催生出新的服務(wù)器形態(tài)和架構(gòu)，進(jìn)一步推動(dòng)計(jì)算密度的提升。

理解單相、兩相與相變液冷的區(qū)別，本質(zhì)上是理解熱量如何被更有效地從芯片表面移走這一核心物理過程。從依賴液體升溫，到激發(fā)液體沸騰，技術(shù)路徑的演進(jìn)反映了數(shù)據(jù)中心為適應(yīng)算力爆發(fā)而不斷突破散熱邊界的過程。

這些技術(shù)將繼續(xù)在可靠性、經(jīng)濟(jì)性與散熱效能的三角關(guān)系中尋找平衡點(diǎn)，共同支撐起下一代高密度數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行。