液冷数据中心产业现状、市场规模和增长逻辑分析

在我国高密度数据中心市场拥有更高增速，2021年30kW以上规模增速达31%。

数据中心基础设施的发展依托于数据中心的发展。数据中心发展经历了三个发 展阶段。第一阶段：第一代数据机房出现并发展，由于计算机以电子管和晶体管为 主，体积大、散热需求高，催生精密机房专业空调等专业设备的出现。第二阶段： 集成电路迅速发展，进入微型计算机时代，数据机房形态向中小型发展。第三阶段： 互联网的兴起，5G、工业互联网、人工智能、云计算、大数据等技术和新应用的快 速发展催生数据处理和储存的需求，数据机房逐渐向数据中心新形态演变。

全球视角。2020 年全球功率超过 10kW/柜的机架占比达到近 30%。全球计算机算力日益增 长，数据中心功率密度相应提升、平均机架功率也随之不断提升，根据 Uptime Institute Intelligence 数据，2020 年全球 5-9kW/柜的机架占比最多，功率超过 10kW/柜的机架 占比达到近 30%，单机架功率的提升与高密度服务器规模部署和应用具备较强相关 性。当前，Intel、IBM、华为、浪潮、曙光等厂商陆续加速推进高密度服务器的产品 设计与市场布局。全球数据中心市场以 10%的 CAGR 稳定增长。全球数据中心市场规模由 2017 年的 465.5 亿美元逐步增长至 2021 年的 679.3 亿美元，市场增速保持在 10%左右， 据中国信通院预测，2022 年全球规模有望接近 750 亿美元。

我国视角 在我国高密度数据中心市场规模拥有更高的增速，特别是 30kW 以上。近年来， 国内数据中心建设进入高峰期，新建数据中心数量快速增长，功率密度逐年上升。 根据《2021-2022 年度中国数据中心基础设施产品市场总报告》，2021 年单机柜功率 在 10kW 以上的数据中心市场规模快速增长，增长率超过 10%，其中 30kW 以上的 高密度数据中心增长速度最快，达到 31%。

预计到 2023 年底全国数据中心机架规模 CAGR 约 20%。从产业规模上来看， 数据中心的产业规模快速增长。根据中国信通院的数据显示，2021 年，中国数据中 心在用机架数量达到 520 万架，较 2020 年增加超过 100 万架。《新型数据中心发展 三年行动计划（2021-2023 年）》指出，到 2023 年底，全国数据中心机架规模年均增 速保持在 20%左右，预计到 2023 年，中国数据中心在用数量超过 800 万架。数据中 心机架数量的持续增长表明数据中心产业的整体规模不断扩大，同时反映数据中心 基础设施产业不断发展。

我国数据中心及其基础设施市场规模保持较快增长趋势。根据中国信通院数据 显示，2021 年中国数据中心市场规模超过 1500 亿元，预计 2022 年中国数据中心市 场规模突破 1900 亿元人民币，呈现较快的增长趋势。数据中心的产业规模的增长表 明数据中心基础设施的市场规模也呈现快速增长的趋势。根据赛迪顾问数据，2019 年我国数据中心基础设施的市场规模达 161.9 亿元，预计到 2025 年达到 461.2 亿元。

2021 年度全国数据中心平均 PUE 为 1.49。近年来，我国数据中心绿色发展进程 日益加快，数据中心的能效水平不断提高，电源使用效率持续降低。2021 年度全国 数据中心平均 PUE 为 1.49，并且有相当数量的数据中心 PUE 超过 1.8 甚至 2.0（数 据来源：CDCC），和国家《国家发展改革委等部关于严格能效约束推动重点领域节 能降碳的若干意见》要求的到 2025 年数据中心 PUE<1.5 的总体规划已经基本相当。 但是随着超高密度数据中心的建设节奏加快，传统风冷已无法满足高性价比、低 PUE 的需求，因此改进数据中心制冷等基础设施技术，提高制冷效率，减少制冷系统的 能耗水平，成为未来发展方向。

液冷数据中心基础设施市场接受度不断提高。伴随着液冷数据中心及其基础设 施的逐步大规模商业应用，以及液冷技术的优势不断显现和传统观念的改变，液冷 数据中心的市场接受度将不断提高，技术设施普及速度加快。 液冷数据中心基础设施技术和性能不断优化。一方面，近几年国家政策支持液 冷先进数据中心技术发展，各项文件鼓励企业开展新兴数据中心预制化、液冷等设 施层技术开发，另一方面，液冷基础设施将不断向预制化、智能化、低碳化方向发 展。

由于液冷技术具有高效制冷的特点，液冷数据中心及其基础设施主要应用于高 性能计算机的领域，除了未公开披露的部分高性能计算机项目，液冷技术目前应用 的行业主要有互联网、金融、电信、能源、生物、医疗等。2019 年液冷数据中心主 要运用在以超算为代表的应用中。其中，互联网、金融电信占比分别为 20%、17% 及 15.5%。随着互联网、金融和电信行业业务量的快速增长，对数据中心液冷需求 将会持续扩大。据赛迪顾问数据，预计 2025 年互联网行业液冷数据中心占比达到 24%，金融行业达到 25%，电信行业达到 23%。

互联网行业的电商、社交平台、短视频等领域龙头企业较多，用户群体大，业 务体量大，数据中心算力需求大，单机柜密度可达到 10kW 甚至更高，是目前液冷 数据中心的核心客户。根据赛迪顾问数据，2019 年互联网液冷数据中心市场规模为 70.2 亿元，预计 2025 年市场规模增长至 319.3 亿元，年复合增长率达 28.72%。随着金融行业信息系统的云化迁移和互联网金融产品的普及，金融行业敏捷响 应、业务及时变更等需求增加，金融行业液冷数据中心算力需求进一步提升。根据 赛迪数据，2019 年金融液冷数据中心市场规模为 59.6 亿元，预计 2025 年市场规模 增长至 332.6 亿元，2019-2025 年 CAGR 达 33.18%.

电信行业紧抓综合信息服务需求 日益云化的趋势，全面推进“云改”，液冷数 据中心需求量快速增长。根据赛迪数据，2019 年电信行业液冷数据中心市场规模为 54.4 亿元，预计 2025 年市场规模增长至 306 亿元，2019-2025 年 CAGR 达 33.36%。

预计到 2025 年全球数据中心平均功率达到 25kW。数据量的大规模增长需要海 量服务器以支撑大量的计算能力，受限于数据中心建设面积和环保规定，增加单机 柜功率成为调和不断增长的算力需求和有限的数据中心承载能力的关键解决方案。 据赛迪顾问预测，快速增长的数据中心算力将推动高功率单机柜快速普及，预计到 2025 年全球数据中心平均功率达到 25kW。 PUE=1.5 的数据中心，27%来自制冷系统功耗。大量数据吞吐和运算使得作为 新兴技术“大脑”的数据中心面临巨大的能耗和散热挑战。一方面，服务器等 IT 设 备的计算、存储功耗庞大；另一方面，冷却数据中心 IT 设备的功耗也在快速增长。 以一个 PUE=1.5 的数据中心为例，其中 67%的电力消耗来自 ICT 设备功耗，27%来 自制冷系统功耗，5%功耗由供配电损耗和 1%由其他设备产生。

液冷技术是风冷替代技术的代表。随着数据中心业务量不断增加，导致冷负荷 密度提升，传统空调系统面临散热不足、能耗严重的问题。针对传统空调系统的不 足，业内对空调技术模式进行探索创新，通过一系列冷风替代技术解决高能耗问题， 液冷技术则是其中代表。

液冷方式可满足 2.7-30kW /机柜的数据中心散热需求。在数据中心制冷领域存 在多种技术路径的实现制冷目的，根据《绿色数据中心白皮书》指出的不同密度数 据中心对应的制冷方式，传统的风冷方式只能满足 2.7kW/机柜的数据中心散热需求， 已经无法完全满足数据中心日益增长的散热需求，数据中心制冷领域的技术出现了 革新。目前，液冷技术凭借着高稳定性和高散热效能逐渐体现出优势，水冷/液冷方 式可满足 2.7-30kW /机柜的数据中心散热需求，能够解决超高热流密度的散热问题。

15kW/柜以上时，液冷技术更具经济性优势。除风冷技术和液冷技术之外，制 冷设备节能技术还包括间接蒸发冷却等。综合应用端而言，15kW/柜以上时风冷技术 成本上升，液冷技术显露其经济性优势。作为液冷目前主流的冷板式液冷和浸没式 液冷，当前主要用于高功率密度型业务如 HPC(High Performance Computing，高性能 计算)和人工智能计算，通常单机柜功率超过 20kW。当前冷板式液冷主要应用于一 般高密度的数据中心领域，而浸没式液冷目前主要集中应用于超高密度数据中心领 域。

相比传统风冷技术，液冷技术的技术优势主要体现在一下几个方面： （1）更高的能源利用率。由于液体具有较高的导热率和比热容，更够更快地传 导以及更有效地吸收热量，能够保障 CPU 在一定范围内进行超频工作不会出现过热 故障，有效提升服务器的适用效率和稳定性。 （2）更高的空间利用率。液冷数据中心省却空调系统和相应基础设施的建设， 无需安装冷热通道封闭设施，更不需要架空地板，节省了大量的空间，从而能够在 单位空间布置更多的服务器，提高数据中心运算效率。因此液冷技术比传统冷却方 式具有更高的空间利用率。

（3）能够实现节能降噪。液冷技术去掉了风冷基础设施，只增加了循环泵，节 省建设成本，液冷系统所使用的泵和冷却液系统与传统的空调系统相比噪声更小。 因此采用液冷技术更够为数据中心实现节能、降噪。 （4）无视海拔、地域的差异，同时余热可以创造经济价值。由于液体比热容不 受海拔和气压影响，可以保持较高的散热效率，从而保证数据中心在高海拔的运行 效率和性能。余热能够以液体为载体，通过热交换接入楼宇采暖系统和供水系统中， 满足附近居民的供暖、温水供应等需求，为数据中心创造附加价值。

随着芯片技术与工艺的进步，服务器计算能力增长快速，但总体功耗也随之提 升。预计到 2025 年，数据中心的 x86 CPU 芯片 TDP 提升至 350W 左右，ARM CPU 芯片的 TDP 提升至 600W 左右，而用于人工智能计算的 NPU/GPU 芯片会提升到 750W 左右。同时期对应的典型服务器 (2U 高度 2 路处理器 )功率也持续演进，x86 CPU 服务器会提升到 725W 左右，ARM CPU 服务器提升至 1000W 左右，用于人工 智能计算的 NPU/GPU 服务器会提升到 1500W 左右。基于这些预测，2025 年主流机 柜功率预计会达到 12~15kW/柜，未来会继续增加到 25kW-50kW/柜，甚至更高（数 据来源：国家信息中心等《“碳达峰、碳中和”背景下数据中心绿色高质量发展研究 报告（2022）》）。在此背景下，我们认为数据中心散热“革命”势在必行。