在高性能計算和人工智能訓練需求驅動下，數(shù)據(jù)中心正面臨著散熱挑戰(zhàn)。液冷技術之所以能勝任，關鍵在于液態(tài)冷卻介質擁有的遠超空氣的比熱容和導熱系數(shù)。

而根據(jù)冷卻介質在工作過程中是否發(fā)生物態(tài)變化，液冷技術被劃分為單相液冷、兩相液冷和相變液冷等不同技術路徑，其背后是截然不同的熱物理原理與應用邏輯。

1、單相液冷：恒定的液態(tài)循環(huán)

單相液冷是概念上蕞為直觀、目前應用較為廣泛的一種形式。其核心特征是：冷卻介質在整個循環(huán)過程中始終保持單一的液態(tài)，不發(fā)生相態(tài)變化。

其工作原理類似于汽車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)：液態(tài)冷卻液（通常是去離子水、專用電介質液體或乙二醇水溶液）被泵送至發(fā)熱的電子元件（通過冷板或直接接觸），吸收熱量后溫度升高，但并未沸騰汽化。升溫后的液體被輸送至外部換熱設備（如冷卻塔、干冷器），將熱量釋放到環(huán)境中，降溫后再次循環(huán)使用。

單相液冷主要依靠液體的顯熱（即溫度變化所吸收或釋放的熱量）進行散熱。其系統(tǒng)相對簡單，控制邏輯直觀。冷板式液冷是單相液冷的典型代表，它通過金屬冷板間接接觸芯片，結構可靠，兼容性較好。

但單相液冷的散熱能力受限于液體的比熱容和允許的溫升范圍。為了帶走大量熱量，要么需要非常大的流量，要么允許冷卻液有較大的進出口溫差，這兩者都可能帶來系統(tǒng)能耗或設計上的挑戰(zhàn)。

2、兩相傳熱與兩相液冷：利用沸騰潛熱

當液體在吸收熱量的過程中發(fā)生沸騰，從液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)，這一過程被稱為兩相傳熱�；�于此原理的冷卻技術可稱為兩相液冷。

其物理優(yōu)勢在于利用了液體的相變潛熱。物質在相變時（如從水變?yōu)樗�蒸氣），會在溫度幾乎不變的情況下吸收或釋放巨大的熱量。水的汽化潛熱約為其升高100℃所需顯熱的5倍以上。這意味著，兩相系統(tǒng)可以用更小的介質流量和更小的溫升，帶走同樣多的熱量，理論上散熱效率更高。

在兩相液冷系統(tǒng)中，冷卻液流經發(fā)熱表面時被加熱至沸騰，產生氣泡或蒸氣。這些氣液混合物被引導至冷凝器，蒸氣重新凝結為液體，釋放出潛熱，完成一個循環(huán)。

在實際應用中，實現(xiàn)穩(wěn)定、可控的沸騰傳熱對工質特性、系統(tǒng)壓力控制、流道設計的要求比單相系統(tǒng)復雜得多。微通道沸騰、噴霧冷卻等技術都屬于兩相傳熱的范疇，它們在實驗室或特定領域展現(xiàn)了散熱潛力，但在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的工程化應用仍面臨可靠性和成本控制的挑戰(zhàn)。

3、相變液冷：特指浸沒式相變冷卻

在數(shù)據(jù)中心領域，相變液冷通常特指一種具體的技術實現(xiàn)形式：浸沒式相變冷卻。這是兩相傳熱原理的一種規(guī)�；�工程應用。

其工作方式是將整個服務器或其主要發(fā)熱部件直接浸沒在裝有低沸點氟化液等電介質液體的密封箱體中。服務器運行時，芯片等高溫部件使與之接觸的液體迅速沸騰，產生蒸氣。蒸氣上升至箱體頂部的冷凝管（管內流動著來自外部的冷卻水），遇冷重新凝結為液體，滴落回箱體底部，形成自然的相變循環(huán)。

這種技術的特點是：

散熱密度高：直接接觸和相變潛熱使得它能應對JI高熱流密度。

均溫性好：沸騰過程的溫度基本維持在液體的沸點附近，使電子元件處于一個非常均勻的溫度環(huán)境中。

簡化結構：服務器無需風扇和散熱鰭片，可以設計得更緊湊。

然而，相變浸沒式冷卻也帶來系統(tǒng)復雜性：需要密封箱體、控制內部壓力以調節(jié)沸點、處理不凝性氣體、以及選擇環(huán)境友好且性能穩(wěn)定的工質，其初投資和運維模式與傳統(tǒng)基礎設施差異較大。

4、技術比對與場景考量

這三種技術路徑并非簡單的升級替代關系，而是基于不同熱工原理，適用于不同場景的解決方案。

從系統(tǒng)復雜度看，單相（特別是冷板式）系統(tǒng)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心基礎設施結合度較高，易于理解和接受。兩相系統(tǒng)與相變浸沒式系統(tǒng)則引入了相變控制，復雜程度增加。

從散熱能力看，利用潛熱的兩相和相變技術，在應對單位面積發(fā)熱量巨大的芯片時，理論上限更高。單相液冷則通過優(yōu)化流道設計和大流量，也能滿足當前多數(shù)高功率芯片的需求。

從適用場景看，單相冷板式液冷更適合對現(xiàn)有風冷服務器進行改造或用于部分液冷的混合架構。相變浸沒式冷卻則更適用于從芯片級開始全新設計的、追求JI致功率密度和能效的智算中心或超算系統(tǒng)。兩相系統(tǒng)則在一些對重量和體積敏感的特殊領域（如航空航天電子設備冷卻）有應用。

5、未來展望：混合與準確化應用

未來，數(shù)據(jù)中心的冷卻方案很可能走向混合與準確化。在一個數(shù)據(jù)中心內，可能根據(jù)服務器負載的不同，混合使用風冷、單相液冷和相變液冷。

例如，對AI訓練集群采用相變浸沒式冷卻，對通用計算服務器采用單相冷板式液冷，對存儲等低功耗設備仍采用改良的風冷。關鍵在于通過數(shù)據(jù)中心基礎設施管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一調度，實現(xiàn)整體能效蕞優(yōu)。

同時，隨著芯片技術的演進，散熱設計可能從“后置考慮”轉向“前置協(xié)同”。液體冷卻不再僅僅是基礎設施，而是與芯片封裝、板卡設計深度耦合，催生出新的服務器形態(tài)和架構，進一步推動計算密度的提升。

理解單相、兩相與相變液冷的區(qū)別，本質上是理解熱量如何被更有效地從芯片表面移走這一核心物理過程。從依賴液體升溫，到激發(fā)液體沸騰，技術路徑的演進反映了數(shù)據(jù)中心為適應算力爆發(fā)而不斷突破散熱邊界的過程。

這些技術將繼續(xù)在可靠性、經濟性與散熱效能的三角關系中尋找平衡點，共同支撐起下一代高密度數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運行。