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芯片散熱概覽

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

電子設(shè)備發(fā)熱的本質(zhì)原因就是工作能量轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程。芯片作為電子設(shè)備的核心部件，其基本工作原理是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為各種功能信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ堋６酒谕瓿蛇@些功能的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這是因?yàn)殡娮有盘?hào)的傳輸會(huì)伴隨電阻、電容、電感等能量損耗，這些損耗會(huì)被轉(zhuǎn)化為熱能。

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

散熱技術(shù)需要持續(xù)升級(jí)，來(lái)控制電子設(shè)備的運(yùn)行溫度。芯片性能持續(xù)發(fā)展，這提升了芯片功耗，也對(duì)散熱技術(shù)提出了更高的要求。此外，AI大模型的訓(xùn)練與推理需求，要求AI芯片的單卡算力提升，有望進(jìn)一步打開先進(jìn)散熱技術(shù)的成長(zhǎng)空間。

▌散熱技術(shù)原理：電子設(shè)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(jì)算設(shè)備中的熱管理問(wèn)題而設(shè)計(jì)的， 它們通過(guò)直接在芯片或處理器表面移除熱量來(lái)優(yōu)化設(shè)備 性能并延長(zhǎng)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(shù)路徑，最后發(fā)展到液冷技術(shù)。

▌芯片散熱革新：浸沒(méi)式散熱效果好，冷板式更為成熟

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

02

主要散熱技術(shù)

▌熱管：高效傳熱器件，適用大功率和空間小場(chǎng)景

熱管，也稱為Heat Pipe，是一種高效的傳熱器件。它能夠通過(guò)內(nèi)部工作流體 的相變過(guò)程，快速地將熱量從一端傳遞到另一端，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由密閉容器、 毛細(xì)結(jié)構(gòu)、工作流體組成。熱管具有高導(dǎo)熱性能、溫度均勻與等溫性等特點(diǎn)。用于大功率芯片及散熱空 間小的產(chǎn)品，如筆記本、服務(wù)器、游戲機(jī)、VR/AR、通信設(shè)備等。

▌VC：相比熱管，具備更高的導(dǎo)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(shù)，是一種比熱管更先進(jìn)、更高效的導(dǎo)熱元件，尤其在處理高密度電子設(shè)備的熱管理問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出色。相比熱管，VC的導(dǎo)熱效率與靈活度更強(qiáng)。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401W/m.k，熱管可以達(dá)到5000~8000 W/m?k，而均熱板則可以達(dá)到20000~10000W/m?k，甚至更高。熱管是一維導(dǎo)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(shè)計(jì)任意形狀，甚至可以兼容處于不同高度的多個(gè)熱源的散熱。

▌機(jī)房空調(diào)：水冷空調(diào)相對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)制冷效果好

風(fēng)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(dú)房間的制冷和制熱。制冷劑一般為氟里昂，單機(jī)制冷量10-120KW。水冷冷水系統(tǒng)：一種中央空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)使用水作為冷卻介質(zhì)來(lái)傳遞熱量。這種系 統(tǒng)一般由冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵和管道等組成，廣泛應(yīng)用于大型建筑。

▌液冷：冷板式與浸沒(méi)式液冷為主

服務(wù)器液冷分為直接冷卻和間接冷卻，直接冷卻以浸沒(méi)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(wù)器元器件直接接觸，而是通過(guò)冷板進(jìn)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(méi)式液冷是將整個(gè)服務(wù)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(wù)器，滲透率逐漸提升

冷板式服務(wù)器需要對(duì)服務(wù)器進(jìn)行管路、結(jié)構(gòu)等改造：如浪潮信息基于2U四節(jié)點(diǎn)高密計(jì)算 服務(wù)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(shè)置多條管路在內(nèi)與冷 板連通、在外連接機(jī)柜級(jí)別的分歧管道，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中95%左右熱量通過(guò)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(fēng)液式換熱器里面的冷卻水帶走。

冷板式液冷服務(wù)器對(duì)原有服務(wù)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，考慮到職責(zé)歸屬、組裝方式等因素，主要 玩家認(rèn)為原有服務(wù)器廠商；服務(wù)器廠商采取采購(gòu)冷板、管道等原材料，隨后自行組裝等方 式進(jìn)行生產(chǎn)加工。冷板式液冷服務(wù)器平均價(jià)格或高于風(fēng)冷服務(wù)器，隨著其滲透率提升， 服務(wù)器廠商有望實(shí)現(xiàn)量?jī)r(jià)齊升與盈利水平的增長(zhǎng)。

▌浸沒(méi)式液冷：液體浸泡服務(wù)器整體，技術(shù)要求高

浸沒(méi)式液冷是將整個(gè)服務(wù)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(wù)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(guò)程中是否發(fā)生相變，可以分為單相浸沒(méi)式液冷及兩相浸沒(méi)式液冷。浸沒(méi)式液冷服務(wù)器對(duì)服務(wù)器進(jìn)行了外殼設(shè)計(jì)、主板改造、散熱系統(tǒng)升級(jí)、密 封性等多重改造設(shè)計(jì)，對(duì)技術(shù)要求較高，主要由服務(wù)器廠商進(jìn)行生產(chǎn)。

03

市場(chǎng)空間

▌驅(qū)動(dòng)1：芯片防護(hù)安全性，溫度控制有利于發(fā)揮芯片極致性能

芯片溫度過(guò)高會(huì)影響設(shè)備工作性能，甚至導(dǎo)致電子設(shè)備損壞。據(jù)《Cabont e ch Maga z ine》，當(dāng)電子設(shè)備溫度過(guò)高時(shí)，工作性能會(huì)大幅度衰減，當(dāng)芯片的工作溫度靠近70-80℃ 時(shí)，溫度每升高10℃，芯片的性能會(huì)降低約50%，有超過(guò)55%的電子設(shè)備失效形式都是溫度過(guò)高引起的。我們認(rèn)為，隨著AI大模型發(fā)展、芯片性能提升，芯片功耗及運(yùn)行溫度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，或影響處理器等的工作效率。這對(duì)芯片級(jí)散熱等技術(shù)提出更高的要求，芯片級(jí)散熱有望打開成長(zhǎng)空間、實(shí)現(xiàn)量?jī)r(jià)齊升。

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

服務(wù)器中CPU、GPU芯片功耗占比較高。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心服務(wù)器功耗模型研究進(jìn)展》，通用服務(wù)器內(nèi)CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)等器件功耗占比為32%、14%、5%。AI服務(wù)器具備“CPU+GPU”等異構(gòu)結(jié)構(gòu)，GPU高功耗帶動(dòng)服務(wù)器功耗提升，如英偉達(dá)H100GPU功耗高達(dá)700W，DGX H100服務(wù)器最大功耗10.2kW，GPU功耗預(yù)計(jì)占服務(wù)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(yù)期推出的Gr anit e Rapids CPU預(yù)期功耗預(yù)期更高。2024年英偉達(dá)推出的B200 GPU，功耗達(dá)到1000W。未來(lái)隨著芯片性能提升與AI大模型逐漸發(fā)展，推動(dòng)CPU\GPU等芯片功耗不斷提升，帶來(lái)廣闊的先進(jìn)散熱器件需求。

▌驅(qū)動(dòng) 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(shè)備能耗。PUE是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的核心指標(biāo)，其數(shù)值越接近1，表示數(shù)據(jù)中心能效越高。空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心能耗占比僅次于IT設(shè)備，在無(wú)法升級(jí)IT系統(tǒng)時(shí)，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗是重要環(huán)節(jié)。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占比從38%下降到18%時(shí)，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(guó)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)(寧夏)發(fā)展白皮書(2022年)》，2021年全國(guó)IDC平均PUE為1.49。“雙碳”和“東數(shù)西算”雙重政策下，全國(guó)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(jìn)示范工程≤1.15。

根據(jù)CDCC與浪潮信息，風(fēng)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(guān)的政策要求。我們認(rèn)為，采用更加節(jié)能、效率較高的散熱技術(shù)是大勢(shì)所趨，液冷技術(shù)或?qū)⑦M(jìn)一步打開成長(zhǎng)空間。

▌芯片散熱市場(chǎng)：高端處理器出貨高增+功耗提升，驅(qū)動(dòng)量?jī)r(jià)齊升

隨著AI芯片及AI服務(wù)器的市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大，且芯片功耗增長(zhǎng)提高散熱要求，我們認(rèn)為芯片級(jí)散熱市場(chǎng)規(guī)模增速有望提升。AI芯片及AI服務(wù)器市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，英偉達(dá)營(yíng)收連續(xù)三季度同比翻倍增長(zhǎng)。據(jù)Precedence，預(yù)期2026年全球AI芯片市場(chǎng)規(guī)模477億美元，2024-2026年CAGR為29.72%；FY2024 Q4，英偉達(dá)收入達(dá)221億美元，環(huán)比+22%、同比+265%，實(shí)現(xiàn)營(yíng)收連續(xù)三季度同比翻倍增長(zhǎng)。據(jù)S tati s ti c s，預(yù)期2026年全球A I服務(wù)器出貨量達(dá)到2 36.9萬(wàn)臺(tái)，2024-2026年預(yù)期CAGR為25.50%。AI芯片功耗能力提升，散熱市場(chǎng)規(guī)模增速有望提升。2024年，英偉達(dá)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(lái)B200封裝密度提升、功耗達(dá)1000W，對(duì)散熱技術(shù)提出更高要求。

▌電信運(yùn)營(yíng)商：預(yù)期2 0 2 5年液冷或?qū)⑦_(dá)到50%滲透率

電信運(yùn)營(yíng)商或推動(dòng)液冷技術(shù)逐步開展技術(shù)驗(yàn)證、規(guī)模實(shí)驗(yàn)。2023年，三大運(yùn)營(yíng)商聯(lián)合發(fā)布液冷技術(shù)白皮書，提出“三年愿景”：1）2023年：液冷產(chǎn)業(yè)開展技術(shù)驗(yàn)證，充分驗(yàn)證液冷技術(shù)性能，降低 PUE，儲(chǔ)備規(guī)劃、建設(shè)與維護(hù)等技術(shù)能力；2）2024年：開展規(guī)模測(cè)試，新建數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目10%規(guī)模試點(diǎn)應(yīng)用液冷技術(shù)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)成熟。推進(jìn)液冷機(jī)柜與服務(wù)器解耦，促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)，推進(jìn)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(yīng)用，50%以上數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目應(yīng)用液冷技術(shù)，共同推進(jìn)形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、生態(tài)完善、成本最優(yōu)、規(guī)模應(yīng)用的高質(zhì)量發(fā)展格局。

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