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芯片散熱概覽

▌芯片散熱起源：電子設備發(fā)熱的本質(zhì)是工作能量轉(zhuǎn)成熱能

電子設備發(fā)熱的本質(zhì)原因就是工作能量轉(zhuǎn)化為熱能的過程。芯片作為電子設備的核心部件，其基本工作原理是將電信號轉(zhuǎn)化為各種功能信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸?shù)裙δ?。而芯片在完成這些功能的過程中，會產(chǎn)生大量熱量，這是因為電子信號的傳輸會伴隨電阻、電容、電感等能量損耗，這些損耗會被轉(zhuǎn)化為熱能。

溫度過高會影響電子設備工作性能，甚至導致電子設備損壞。據(jù)《電子芯片散熱技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景》，如對于穩(wěn)定持續(xù)工作的電子芯片，最高溫度不能超過85 ℃，溫度過高會導致芯片損壞。

散熱技術需要持續(xù)升級，來控制電子設備的運行溫度。芯片性能持續(xù)發(fā)展，這提升了芯片功耗，也對散熱技術提出了更高的要求。此外，AI大模型的訓練與推理需求，要求AI芯片的單卡算力提升，有望進一步打開先進散熱技術的成長空間。

▌散熱技術原理：電子設備發(fā)熱的本質(zhì)是工作能量轉(zhuǎn)成熱能

散熱是為解決高性能計算設備中的熱管理問題而設計的， 它們通過直接在芯片或處理器表面移除熱量來優(yōu)化設備 性能并延長使用壽命。隨著芯片功耗的提升，從一維熱管的線式均溫，到二維 VC的平面均溫，發(fā)展到三維的一體式均溫，即3D VC 技術路徑，最后發(fā)展到液冷技術。

▌芯片散熱革新：浸沒式散熱效果好，冷板式更為成熟

根據(jù)ODCC《冷板液冷服務器設計白皮書》，綜合考量初始投資成本、可維護性、PUE 效果以及產(chǎn)業(yè)成熟度等因素，冷板式和單相浸沒式相較其他液冷技術更有優(yōu)勢，是當前業(yè)界的主流解決方案。

02

主要散熱技術

▌熱管：高效傳熱器件，適用大功率和空間小場景

熱管，也稱為Heat Pipe，是一種高效的傳熱器件。它能夠通過內(nèi)部工作流體 的相變過程，快速地將熱量從一端傳遞到另一端，其結構簡單，由密閉容器、 毛細結構、工作流體組成。熱管具有高導熱性能、溫度均勻與等溫性等特點。用于大功率芯片及散熱空 間小的產(chǎn)品，如筆記本、服務器、游戲機、VR/AR、通信設備等。

▌VC：相比熱管，具備更高的導熱效率與靈活性

VC均溫板，全稱為Vapor Chamber，即真空腔均熱板散熱技術，是一種比熱管更先進、更高效的導熱元件，尤其在處理高密度電子設備的熱管理問題時表現(xiàn)出色。相比熱管，VC的導熱效率與靈活度更強。銅的導熱系數(shù)為401W/m.k，熱管可以達到5000~8000 W/m?k，而均熱板則可以達到20000~10000W/m?k，甚至更高。熱管是一維導熱，受其形狀顯示。而均熱板形狀則不受限制，可以根據(jù)芯片的布局，設計任意形狀，甚至可以兼容處于不同高度的多個熱源的散熱。

▌機房空調(diào)：水冷空調(diào)相對風冷系統(tǒng)制冷效果好

風冷直膨式系統(tǒng)：是一種空調(diào)系統(tǒng)，主要用于中小型建筑或單獨房間的制冷和制熱。制冷劑一般為氟里昂，單機制冷量10-120KW。水冷冷水系統(tǒng)：一種中央空調(diào)系統(tǒng)，通過使用水作為冷卻介質(zhì)來傳遞熱量。這種系 統(tǒng)一般由冷水機組、冷卻塔、水泵和管道等組成，廣泛應用于大型建筑。

▌液冷：冷板式與浸沒式液冷為主

服務器液冷分為直接冷卻和間接冷卻，直接冷卻以浸沒式為主，間接冷卻以冷板式為主。冷板式液冷的冷卻液不與服務器元器件直接接觸，而是通過冷板進行換熱，所以稱之為間接液冷。依據(jù)冷卻液在冷板中是否發(fā)生相變，分為單相冷板式液冷及兩相冷板式液冷。浸沒式液冷是將整個服務器或其組件直接浸入液體冷卻劑中的冷卻方式。

▌冷板式液冷：需改造服務器，滲透率逐漸提升

冷板式服務器需要對服務器進行管路、結構等改造：如浪潮信息基于2U四節(jié)點高密計算 服務器i24，新增多塊冷板與CPU、I/0、內(nèi)存等發(fā)熱單元接觸，也設置多條管路在內(nèi)與冷 板連通、在外連接機柜級別的分歧管道，實現(xiàn)系統(tǒng)中95%左右熱量通過冷板接觸熱源由液 體直接帶走，剩余5%左右熱量經(jīng)由PSU電源后置的風液式換熱器里面的冷卻水帶走。

冷板式液冷服務器對原有服務器結構進行改造，考慮到職責歸屬、組裝方式等因素，主要 玩家認為原有服務器廠商；服務器廠商采取采購冷板、管道等原材料，隨后自行組裝等方 式進行生產(chǎn)加工。冷板式液冷服務器平均價格或高于風冷服務器，隨著其滲透率提升， 服務器廠商有望實現(xiàn)量價齊升與盈利水平的增長。

▌浸沒式液冷：液體浸泡服務器整體，技術要求高

浸沒式液冷是將整個服務器或其組件直接浸入液體冷卻劑中的冷卻方式。液 體完全包圍服務器元件，從而更加高效地吸收和散發(fā)熱量。按照工程液體散熱 過程中是否發(fā)生相變，可以分為單相浸沒式液冷及兩相浸沒式液冷。浸沒式液冷服務器對服務器進行了外殼設計、主板改造、散熱系統(tǒng)升級、密 封性等多重改造設計，對技術要求較高，主要由服務器廠商進行生產(chǎn)。

03

市場空間

▌驅(qū)動1：芯片防護安全性，溫度控制有利于發(fā)揮芯片極致性能

芯片溫度過高會影響設備工作性能，甚至導致電子設備損壞。據(jù)《Cabont e ch Maga z ine》，當電子設備溫度過高時，工作性能會大幅度衰減，當芯片的工作溫度靠近70-80℃ 時，溫度每升高10℃，芯片的性能會降低約50%，有超過55%的電子設備失效形式都是溫度過高引起的。我們認為，隨著AI大模型發(fā)展、芯片性能提升，芯片功耗及運行溫度呈增長趨勢，或影響處理器等的工作效率。這對芯片級散熱等技術提出更高的要求，芯片級散熱有望打開成長空間、實現(xiàn)量價齊升。

▌驅(qū)動2：AI大模型發(fā)展+芯片性能增長，芯片功耗持續(xù)提升

服務器中CPU、GPU芯片功耗占比較高。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心服務器功耗模型研究進展》，通用服務器內(nèi)CPU、內(nèi)存、存儲等器件功耗占比為32%、14%、5%。AI服務器具備“CPU+GPU”等異構結構，GPU高功耗帶動服務器功耗提升，如英偉達H100GPU功耗高達700W，DGX H100服務器最大功耗10.2kW，GPU功耗預計占服務器總功耗的55%左右。芯片功耗持續(xù)提升：如Int e l的I c e Lake CPU功耗最高270W，2024年預期推出的Gr anit e Rapids CPU預期功耗預期更高。2024年英偉達推出的B200 GPU，功耗達到1000W。未來隨著芯片性能提升與AI大模型逐漸發(fā)展，推動CPU\GPU等芯片功耗不斷提升，帶來廣闊的先進散熱器件需求。

▌驅(qū)動 3：“雙碳”與東數(shù)西算等政策要求降低數(shù)據(jù)中心PUE

PUE = 數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設備能耗。PUE是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的核心指標，其數(shù)值越接近1，表示數(shù)據(jù)中心能效越高?？照{(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心能耗占比僅次于IT設備，在無法升級IT系統(tǒng)時，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗是重要環(huán)節(jié)。當空調(diào)系統(tǒng)能耗占比從38%下降到18%時，數(shù)據(jù)中心的PUE也從1.92下降到1.3.

“雙碳”與東數(shù)西算等政策要求降低數(shù)據(jù)中心PUE。據(jù)Uptime Institut e，截至2022年全球中大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.55，根據(jù)《中國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)(寧夏)發(fā)展白皮書(2022年)》，2021年全國IDC平均PUE為1.49?！半p碳”和“東數(shù)西算”雙重政策下，全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE降到1.3以下，集群內(nèi)PUE要求東部≤1.25、西部≤1.2，先進示范工程≤1.15。

根據(jù)CDCC與浪潮信息，風冷方案數(shù)據(jù)中心PUE一般在1.4-1.5左右，而液冷數(shù)據(jù)中心PUE可降低至1.2以下，滿足相關的政策要求。我們認為，采用更加節(jié)能、效率較高的散熱技術是大勢所趨，液冷技術或?qū)⑦M一步打開成長空間。

▌芯片散熱市場：高端處理器出貨高增+功耗提升，驅(qū)動量價齊升

隨著AI芯片及AI服務器的市場規(guī)模擴大，且芯片功耗增長提高散熱要求，我們認為芯片級散熱市場規(guī)模增速有望提升。AI芯片及AI服務器市場快速增長，英偉達營收連續(xù)三季度同比翻倍增長。據(jù)Precedence，預期2026年全球AI芯片市場規(guī)模477億美元，2024-2026年CAGR為29.72%；FY2024 Q4，英偉達收入達221億美元，環(huán)比+22%、同比+265%，實現(xiàn)營收連續(xù)三季度同比翻倍增長。據(jù)S tati s ti c s，預期2026年全球A I服務器出貨量達到2 36.9萬臺，2024-2026年預期CAGR為25.50%。AI芯片功耗能力提升，散熱市場規(guī)模增速有望提升。2024年，英偉達發(fā)布B200，采用N4P制程，封裝2080億晶體管，而H100晶體管為800億、采用N4制程，這帶來B200封裝密度提升、功耗達1000W，對散熱技術提出更高要求。

▌電信運營商：預期2 0 2 5年液冷或?qū)⑦_到50%滲透率

電信運營商或推動液冷技術逐步開展技術驗證、規(guī)模實驗。2023年，三大運營商聯(lián)合發(fā)布液冷技術白皮書，提出“三年愿景”：1）2023年：液冷產(chǎn)業(yè)開展技術驗證，充分驗證液冷技術性能，降低 PUE，儲備規(guī)劃、建設與維護等技術能力；2）2024年：開展規(guī)模測試，新建數(shù)據(jù)中心項目10%規(guī)模試點應用液冷技術，推進產(chǎn)業(yè)生態(tài)成熟。推進液冷機柜與服務器解耦，促進競爭，推進產(chǎn)業(yè)生態(tài)成熟，降低全生命周期成本；3）2025年：開展規(guī)模應用，50%以上數(shù)據(jù)中心項目應用液冷技術，共同推進形成標準統(tǒng)一、生態(tài)完善、成本最優(yōu)、規(guī)模應用的高質(zhì)量發(fā)展格局。

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