データセンターにおける二相冷却の最新トレンドとは？
直接回答：两相冷却技术，特别是浸没式冷却和直接-to-chip（冷板）冷却，正从利基研究概念过渡到主流部署，因为它们能够处理超过1，000 W/cm²的热密度，这是传统空气冷却无法实现的。浸没式冷却因其整体设施热回收和极高密度而受到青睐，而直接-to-chip目前是现有AI集群的首选改造解决方案，因为其流体成本更低且维护更简单。到2027年，预计超过20%的新数据中心容量将采用某种形式的两相液体冷却，而2023年这一比例不到5%。
两相浸没式和直接-to-chip系统在操作上有何不同？
浸没式冷却将整个服务器（主板、CPU、GPU、电源）浸入介电介电流体浴槽中。流体在低温下沸腾（工程流体通常为50-60°C），在从液态变为气态时直接吸收热量。蒸汽上升，撞击罐盖中的冷凝盘管，然后恢复为液态。这是一个被动、热虹吸驱动的过程，罐内无需泵。
相比之下，直接-to-chip冷却使用直接安装在CPU或GPU芯片上的密封冷板。介电工作流体（通常是氟酮或专用制冷剂）流过板内的微通道。热量通过热界面材料（TIM）传导到板中，使流体蒸发。然后蒸汽被输送到远程冷凝器单元，这是一个独立的机架式换热器，将热量排放到设施水中。
关键的操作差异在于热路径。浸没式冷却的热路径较短（流体接触主板），但需要较大的罐体容积（每机架500-1，000升）。直接-to-chip通过TIM和冷板的热路径较长，但使用的流体少得多（每机架10-20升），并且可以在不排空罐体的情况下单独取出服务器。
实际的热性能极限和温度是多少？
两相系统的热性能由沸腾传热系数和系统的热阻定义。对于直接-to-chip，冷板可以实现0.01°C·cm²/W或更低的热阻。这意味着一个500W的GPU可以在流体饱和温度为60°C时保持75°C的结温。
浸没式冷却由于流体池对流，热阻略高，通常为0.02-0.04°C·cm²/W。然而，由于整个主板被浸没，系统同时从电压调节器、内存和网络交换机中移除热量，这是一个显著的优势。在实践中，浸没式系统可以处理每1U等效机箱2，000-4，000W的服务器热负荷，而直接-to-chip仅限于芯片面积，每个插槽处理1，000-2，000W。
流体饱和温度是主要的控制变量。对于典型的单相介电流体，沸点由流体化学性质决定。例如，3M Novec 649的沸点为49°C，而专用制冷剂如R1233zd(E)的沸点为18°C。工作温度必须与服务器组件限制匹配；大多数现代CPU可以在85°C的外壳温度下运行，这比流体沸点高出25-30°C的余量。这个余量对于流体在不导致芯片过热的情况下蒸发至关重要。
哪些行业首先采用两相冷却？
主要采用者是超大规模云提供商、AI训练设施和高频交易（HFT）公司。原因很简单：功率密度。一个标准的42U机架采用空气冷却可以散掉10-15kW。一个配备8x H100 GPU的AI训练机架可以消耗70-100kW。空气冷却在物理上无法在不产生巨大气流速度（导致声学噪声和振动）的情况下移动那么多热量。
HFT行业在2010年代初率先采用浸没式冷却，因为他们需要对CPU进行超频以实现超低延迟（微秒级），而冷却余量允许更高的时钟速度。如今，石油和天然气超级计算领域使用浸没式冷却进行地震数据处理。增长最快的是AI领域，NVIDIA等公司已认证其A100和H100 GPU适用于直接-to-chip和浸没式冷却。政府实验室和国家超级计算中心（例如EuroHPC JU）也在为其百亿亿次机器指定两相系统，这些机器需要30-60MW的冷却能力。
为什么选择浸没式冷却而非直接-to-chip？
当您的设施是新建或大规模棕地改造，且主要目标是最大化热回收或最大化机架密度时，选择浸没式冷却。浸没式冷却允许每个罐体达到100-150kW的机架密度。它还消除了100%的服务器风扇，节省了15-20%的服务器功耗。介电流体还能防止腐蚀和灰尘，将服务器寿命延长2-3年。
操作优势在于冷凝器回路。蒸发后的流体在50-60°C的温度下冷凝，这意味着设施水回水可以在45-50°C。这种高品质热量可以直接用于建筑供暖、吸收式制冷机或区域供热网络，实现1.02-1.05的电源使用效率（PUE）。
缺点是流体成本和重量。一个42U浸没式罐体需要800-1，200升介电流体。按每升15-25美元计算，仅流体成本就为每机架12，000-30，000美元。罐体本身增加500-800公斤的重量，需要加固地板。
为什么选择直接-to-chip冷却而非浸没式？
当您拥有现有的空气冷却数据中心，并且希望在不更换整个设施架构的情况下改造AI服务器时，选择直接-to-chip。直接-to-chip对服务器机箱的改动最小，只需新的冷板和流体连接。流体量小（每机架10-20升），因此资本支出显著较低。
可维护性更优。如果GPU发生故障，您可以关闭机架，断开流体管线，取出单个服务器，并在15分钟内更换。在浸没式冷却中，您必须将整个服务器从流体中吊出，让其排干（需要20-30分钟），然后进行维护。直接-to-chip还允许混合操作：您可以对内存和存储保持空气冷却，仅对高功率CPU和GPU使用两相冷却。
主要缺点是您仍然需要为其余主板组件提供空气冷却环境。这意味着您仍然需要CRAC单元，但它们可以缩小60-70%。系统PUE通常为1.10-1.15，高于浸没式，但远优于传统空气冷却的1.3-1.5。
系统组件和流体的成本差异是多少？
成本结构主要由介电流体和换热器主导。下表提供了200kW IT负载、10机架部署的实际成本估算。
| 组件 | 浸没式冷却（每机架） | 直接-to-chip（每机架） | 备注 |
| 介电流体（工程氟酮） | $15，000 - $25,000（800-1，200L，每升$15-25） | $2，000 - $4,000（20-40L，每升$80-100） | 直接-to-chip使用更高纯度的流体 |
| 罐体/机箱 | $8，000 - $12,000 | $0（服务器机箱改装） | 浸没式罐体为定制焊接铝 |
| 冷板和连接器 | $0（浸没式无需冷板） | $3，000 - $5,000（每8-GPU服务器） | 直接-to-chip冷板为镀镍铜 |
| 冷凝器单元（机架式） | $5，000 - $7,000 | $3，000 - $4,000 | 浸没式冷凝器更大（顶部安装） |
| 设施水回路集成 | $10，000 - $15,000 | $8，000 - $10,000 | 包括泵、阀门和干冷器 |
| 每kW初始总成本 | $190 - $295每kW | $80 - $115每kW | 基于每机架平均20kW |
| 年流体损失（蒸发/泄漏） | 体积的3-5% | 体积的1-2% | 直接-to-chip为密封回路 |
数据显示，浸没式冷却的初始成本是直接-to-chip的2-3倍，原因是流体量大。然而，浸没式冷却在冷却能源上节省$0.01-0.02/kWh，并消除风扇功耗，这可以在3-5年内抵消较高的资本成本。
流体管理和维护如何影响运营？
流体管理是最容易被忽视的运营挑战。在浸没式冷却中，流体因金属离子浸出和热分解而随时间降解。您必须每季度测试流体的酸度（pH）、介电强度（必须>40 kV/mm）和水分含量。如果介电强度降至30 kV/mm以下，您必须更换流体或使用带活性炭的过滤系统。
对于直接-to-chip，流体处于密封回路中，但处于压力下。您必须每6个月使用电子泄漏检测器检查制冷剂泄漏。芯片和冷板之间的热界面材料（TIM）也会因热循环而降解；您应每2-3年更换一次TIM，以保持0.01°C·cm²/W的热阻。
维护成本约为初始系统成本的每年5-8%。这高于空气冷却（3-4%），但低于GPU过热导致的停机成本，后者可能为每小时损失计算时间$500-1，000。
两相冷却能否与现有空气冷却设施配合使用？
可以，但有特定限制。直接-to-chip是现有机架的即插即用改造方案，前提是您的设施有冷冻水回路（7-12°C）或冷凝水回路（30-35°C）。远程冷凝器可以将热量排放到40-50°C的设施水中。如果您的设施水高于35°C，您需要安装一个次级泵撬和干冷器。
浸没式冷却更难改造，因为罐体较重，需要加固地板（至少1，500 kg/m²）。您还需要在罐体周围设置防溢堤。大多数现有数据中心的地板承重为600-800 kg/m²，因此您需要将罐体放置在荷载分散钢架上。
最实际的改造路径是在AI机架（占机架的20-30%）上部署直接-to-chip，其余保持空气冷却。这使您无需新建设施即可增加50-100kW的AI计算能力。
常见问题解答
两相冷却可以处理的最大热通量是多少？
直接-to-chip冷板可以处理单个芯片高达1，000 W/cm²的热通量。浸没式冷却处理较低的热通量（最高100 W/cm²），但从更大的表面积移除热量。对于700W GPU，需要直接-to-chip；浸没式更适合300-500W CPU和高密度内存。
介电流体对电子元件安全吗？
是的，工程流体如氟酮和专用氢氟醚是非导电的（介电强度>40 kV/mm），对焊料、PCB层压板和电容器化学惰性。它们也是不可燃的（ASDRA 1级）。它们可以溶解某些粘合剂和塑料，因此所有服务器组件必须经过材料兼容性验证。
两相冷却系统能使用多久？
硬件（罐体、冷板、冷凝器）设计寿命为10-15年。然而，流体需要每5-7年更换一次（浸没式，由于污染）和每8-10年更换一次（直接-to-chip，密封回路）。泵和阀门的平均故障间隔时间（MTBF）为50，000小时。
与空气冷却相比，PUE提高了多少？
典型的空气冷却设施PUE为1.35-1.50。直接-to-chip两相冷却实现1.08-1.12的PUE。浸没式冷却可以达到1.02-1.05的PUE，前提是废热被回收利用。较低的PUE直接转化为较低的运营成本和较小的碳足迹。
两相冷却可以用于电池储能系统吗？
可以，浸没式冷却正在电网储能锂离子电池组中进行测试。流体在快速充电期间吸收热量，防止热失控。电池电芯温度保持在25-35°C，均匀性为±2°C，与空气冷却相比，循环寿命延长20-30%。
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