氣冷、液冷是什麼？讓伺服器效能穩定的「散熱技術」有哪些發展趨勢？

近年隨晶片熱設計功耗（TDP）持續提高，現有氣冷散熱在高階伺服器中已逐漸逼近系統極限，液冷散熱逐漸被市場重視。本文將分析伺服器散熱產業現況及未來發展以及哪些公司會受惠。

富果觀點

1. 隨伺服器晶片 TDP 持續提高，氣冷散熱逐漸不敷使用
2. 3DVC（3D 均熱板）可有效提升解熱效率，但仍受限空調系統耗電量高，其在 ESG 趨勢下發展可能受限
3. 開放式液冷 PUE 表現佳，預期將因其成本優勢成為未來主流方案
4. 判斷資料中心將首先併行液冷與氣冷，首先安裝於使用較多 GPGPU 之 AI 伺服器當中

散熱系統為維持電子設備運行速度和壽命之重要關鍵

散熱系統簡單來說，即是透過熱傳導和熱對流，將電子設備運行產生的廢熱發散出去，以維持在適宜的溫度下運行。若廢熱無法有效發散，將影響半導體元件的壽命和性能。

高溫會導致元件膨脹，反覆熱脹冷縮容易使元件電路損壞（焊接處容易虛焊），而降低其壽命；溫度也直接影響半導體元件的電阻值，降低電流速度而影響 IC 運行效率。

目前散熱根據最終熱傳導物質的不同，可分為傳統氣冷散熱和液冷散熱兩種。前者主要由 TIM（Thermal Interface Material，熱介面材料）、均熱片（VC）或熱導管先將熱導出，再由散熱鰭片（Heat Sink）和風扇與空氣對流進行散熱；後者則透過液冷板（Cold Plate）或是近年興起的浸沒式散熱，透過與液體熱對流散出熱，來達到晶片降溫。

Source：富果研究部

隨伺服器晶片 TDP 持續提高，氣冷散熱逐漸不敷使用

在設計 IC 時通常會設定最高時脈速度，避免系統過熱而損毀，此時相對應廢熱散發的效率則被稱作熱設計功耗（TDP，單位為 W）。若散熱系統之解熱效率無法滿足 TDP 而使系統溫度持續上升，IC 就會開始降頻（降低運作速度）來避免過熱，因此根據 IC 的 TDP 選擇合適的散熱系統，才能使其運作效率如預期發揮。

而散熱效率除了由被動式散熱元件本身的熱導率決定外（見註），最終主動式元件與外部環境熱對流的效率也是關鍵之一。

註：熱導率為評估材料傳導熱量的能力，目前散熱系統中常用的材料為銅或銀，為室溫熱導率最高的兩種金屬

傳統氣冷散熱以空氣作為介質，與外部環境對流進行散熱，然因空氣傳遞熱的效率很差，目前使用一般熱導管散熱模組在散熱空間受限下（氣冷散熱效率與空氣流通之截面積正相關），其臨界散熱效率約 400~500W（以最常見的 2U 機架式伺服器為例）。

Source：Tom's Hardware、富果研究部

註：U 為機架式伺服器的高度單位，2U 約等於 8.9cm

隨著晶片算力提升，主流伺服器高階 CPU TDP 都已達 350~400 W；GPGPU 和 Switch IC 更已突破 600W、800W， Intel、AMD 下一代 CPU 之 TDP 也將突破 500W，傳統氣冷散熱逐漸不敷使用。

Source：雙鴻、富果研究部

目前下一代散熱模組設計，主要可分為兩大方向：

1. 使用 3D 均熱板（3DVC）升級現有散熱模組，加強被動式散熱元件將熱導出的效率，成本較低但體積大，且仍需配合 HVAC 系統（空調系統）。
2. 導入液冷散熱系統，改用液體當作熱對流介質，提升散熱效率。成本高但可在較小體積下達成較好解熱效率，同時也較為省電。

以下將分別分析。

Source：雙鴻、富果研究部

3DVC 可有效提升解熱效率，但仍受限氣體熱對流效率不佳，隨 ESG 趨勢其發展可能受限

3DVC 簡單來說就是均熱板和熱導管的結合，由均熱板延伸出多根相通的圓柱狀熱導管，冷凝劑在均熱板內腔吸熱後，轉換為氣體後沿熱導管上升將熱帶離表面，再由鰭片和風扇冷卻後，重新轉為液態流回均熱板內腔。

Source：Celsia、富果研究部

3DVC 雖然較傳統熱導管或 VC 散熱模組需較大的散熱空間，但在空氣對流面積顯著增加下，擁有更好的解熱效率，最高約可達 800W。且和液冷板方案相比具成本優勢，也不會有漏液導致主機板損壞的問題，目前已在導入 Intel Eagle Stream 和 AMD Genoa 兩大平台。

然導入 3DVC 仍脫離不了調節資料中心內部空氣溫度之 HVAC 系統，而其高耗電量就使電力使用效能（PUE，計算方式見註）居高不下。

傳統使用 HVAC 系統建構的資料中心 PUE 約落在 1.5~1.7 以上，而目前多數標準（例如歐盟、中國）要求未來興建之資料中心 PUE 需低於 1.3，除了在較涼爽的地區（自然散熱效果較佳）氣冷仍可維持低 PUE 外，在近年 ESG 趨勢持續發展下，位於較炎熱的地區之資料中心可能需開始考慮導入液冷散熱系統。

註：PUE 用以評估資料中心節能效率，其公式為總用電量/ IT 設備（包含伺服器、交換器等）總電量

Source：Uptime Institute

參考目前北美四大 CSP（排除 Meta）規劃未來興建的資料中心，多落於熱帶和亞熱帶區域，欲在使用氣冷下維持 PUE 表現將備受考驗。富果認為，CSP 業者可能會優先考慮在炎熱地區導入液冷散熱系統，以維持公司整體 PUE 平均值和降低長期營運成本（HVAC 系統在炎熱地區運作十分耗能且效率較差）。

Sourcr：AWS、Azure、GCP、富果研究部

接下來將討論液冷散熱系統。

開放式液冷 PUE 表現佳，預期將因其成本優勢成為未來主流方案

液冷散熱系統目前有兩種方式在競爭，分別是 Open Loop Liquid Cooling（開放式液冷）和 Immersion Liquid Cooling（浸沒式散熱）。

1. 開放式液冷

開放式液冷較傳統氣冷多加入了：液冷板模組（Cold Plate）、冷卻液分配單元（CDU）、冷卻水歧管（Manifold），並透過冷卻器和風扇背門或是熱交換器（RDHx）將冷卻液降溫，其運作模式如下：

① 冷卻液會先由 CDU 泵浦送出

② 沿著冷歧管進入系統

③ 冷卻液流入覆蓋在處理器上方的液冷板

④ 吸熱後的液體接著從熱歧管流出

⑤ 送到機櫃的上方，轉至機櫃背門的冷卻器往下流

⑥ 透過風扇背門排出廢熱使液體降溫，或透過熱交換器與外部循環水進行熱交換

Source：The immersion cooling technology: Current and future development in energy saving、富果研究部

Source：ServerTheHome、富果研究部

採用開放式液冷系統搭配冰水機（Chiller，見註）可將 PUE 降至 1.3，使用冷卻塔（Cooling Tower，見註）自然冷卻空氣更可降至 1.07。

註：冰水機是一種製冷設備，透過使用製冷劑（冷媒），製造出常溫以下的水對設備進行冷卻；冷卻塔則是透過將水蒸氣冷卻成較低溫的水，將系統的廢熱排到大氣。

Source：雲達、富果研究部

2. 浸沒式散熱

浸沒式散熱則將伺服器完全浸沒於介電冷卻液當中，直接透過液體對流的方式將廢熱自晶片轉移至液體中。若是單相式，會經由熱交換器將液體冷卻；雙相式則是液體蒸發成氣體上升到密封槽頂部，接觸到冷凝管後重新落回池中。

Source：GRC、富果研究部

浸沒式散熱因基本不需空調系統，PUE 可達 1.1，但其建置和營運成本較高（包含資料中心的架構需重新設計、介電冷卻液費用高昂），加上目前多數晶片廠商並未提供保固，都成為導入浸沒式散熱系統的障礙。

相較之下，開放式液冷系統在機房基礎架構上不需大幅變動，