液冷革命：解鎖資料中心的未來

前言

在數位洪流席捲全球的時代，資料中心作為數位經濟的基石，其重要性與日俱增。然而，支撐著龐大數據運算的，是日夜不停高速運轉的伺服器，以及隨之而來的「熱」浪。根據統計，全球資料中心耗電量已佔全球總用電量的 2% 左右，且仍在快速攀升。更驚人的是，這些電力消耗中，高達 40% 用於散熱！傳統的氣冷技術，在高密度運算需求的挑戰下，已逐漸顯露瓶頸：散熱效率不足、風扇噪音刺耳、機房空間擁擠、能源浪費驚人。面對這場「熱」浪危機，資料中心產業亟需一場散熱技術的革命。液冷技術，正是在這樣的背景下應運而生，它以顛覆性的散熱思維，為資料中心開闢了一條效能與永續兼顧的嶄新道路。液冷，不再只是散熱方案的升級，而是解鎖資料中心未來發展的關鍵鑰匙，預示著一場綠色運算新時代的到來。

液冷技術原理：為晶片「降火」的奧秘

液冷技術的核心奧秘，在於液體卓越的熱傳導能力。相較於空氣，液體的熱容和導熱係數都高出數十倍甚至數千倍。這意味著，同等體積的液體，可以帶走比空氣多得多的熱量。液冷技術正是巧妙地利用液體的特性，直接或間接地將伺服器晶片產生的熱量，高效地傳導出去，如同為高燒的晶片敷上冰涼的退熱貼，達到精準、快速降溫的效果。

目前，資料中心液冷技術主要分為兩大流派：

浸沒式液冷 (Immersion Cooling)

浸沒式液冷如同其名，浸沒式液冷將伺服器，甚至整個機櫃，完全浸泡在特殊的冷卻液中。這種冷卻液通常是絕緣性優良的礦物油、合成油或碳氫化合物。伺服器運作產生的熱量，直接被冷卻液吸收，再透過冷卻液循環系統，將熱量帶出，並在熱交換器中釋放，完成散熱循環。浸沒式液冷又可細分為單相浸沒式和兩相浸沒式。單相浸沒式依靠冷卻液的熱容帶走熱量，兩相浸沒式則利用冷卻液沸騰汽化吸熱的原理，散熱效率更高，更適用於極高功率密度的運算場景。

直接接觸式液冷 (Direct-to-Chip Cooling)

直接接觸式液冷則更像傳統水冷的進化版。它保留了伺服器的傳統機箱設計，但在發熱元件 (主要是 CPU、GPU、記憶體等) 上方，安裝精密的 冷板 (Cold Plate)。冷板內部佈滿微通道或噴射結構，冷卻液在其中流動，直接與晶片表面接觸，帶走熱量。熱量被冷卻液帶走後，同樣透過冷卻液迴路和熱交換器釋放。直接接觸式液冷的優點是易於維護，伺服器組件更換方便，更易於與現有資料中心架構整合。

兩種液冷技術各有千秋，適用於不同的應用場景。浸沒式液冷散熱效率極高，極致節能，是超高密度運算和追求極致 PUE 值的理想選擇；直接接觸式液冷則兼顧了散熱效能和維護便利性，更適合大規模部署和現有資料中心升級改造。

液冷技術優勢：效能、節能、永續的全面提升

液冷技術的魅力，不僅僅在於其精巧的散熱原理，更在於其帶來的全方位效能提升和永續價值。

• 效能飛躍：解鎖運算潛力 液冷技術突破了氣冷散熱瓶頸，讓伺服器晶片不再受制於「高溫牆」。在液冷環境下，伺服器可以提升 20% 以上的功率密度，同等空間內可部署更多伺服器，運算密度大幅提升。更重要的是，液冷允許晶片在更低的溫度下穩定運作，超頻性能提升 10% 以上，整體運算效能實現質的飛躍，為 AI、高效能運算等尖端應用提供強勁動力。
• 節能減碳：綠色運算的基石 液冷系統的節能效果堪稱驚人。相較於傳統氣冷，液冷系統可節省高達 70% 的冷卻能耗，資料中心的整體能耗可降低 30% 以上。這意味著，同樣的運算力，液冷資料中心只需消耗更少的電力，PUE 值可輕鬆降至 1.1 甚至更低 (氣冷資料中心 PUE 值通常在 1.5 以上)。以一個 10MW 的資料中心為例，採用液冷技術，每年可節省數百萬度電，相當於數千戶家庭的年用電量，碳排放量也隨之大幅減少。液冷，是資料中心實現碳中和目標的關鍵技術支撐。
• 靜音高效：更友善的運營環境 告別傳統資料中心震耳欲聾的風扇噪音，液冷資料中心運行時近乎靜音。液冷系統無需大型風扇散熱，噪音可降低 20-30 分貝，為維運人員創造更舒適的工作環境。同時，液冷設備體積更小，機房空間利用率可提升 20% 以上，在寸土寸金的都市資料中心，空間節省就是真金白銀。
• 可靠耐用：降低維護成本 液冷系統能將伺服器晶片溫度控制在更穩定的範圍內，減少晶片熱衰竭，伺服器故障率可降低 50% 以上，硬體使用壽命延長，維護成本和設備更換頻率也隨之降低，長期運營效益顯著。

液冷技術挑戰：成本、標準、生態系的考驗

液冷技術優勢顯著，但如同任何新興技術，其普及之路也面臨著一些挑戰。

• 初期成本考量： 液冷系統的初期建置成本，相較於氣冷系統，確實較高。冷卻液、冷卻設備、精密管線、洩漏監測系統等，都需要額外投入。然而，從全生命週期成本 (TCO) 來看，液冷系統在長期運營中，透過節能、降低維護成本等優勢，可以快速回收初期投資，並帶來更可觀的經濟效益。
• 標準化與互操作性： 液冷技術的產業標準仍在發展初期，不同廠商的液冷設備，在冷卻液介面、管線規格、監控協議等方面，可能存在差異，互操作性有待加強。產業標準的完善，將有助於降低用戶的選擇成本和整合難度，加速液冷技術的普及。
• 生態系統建設： 液冷技術的成熟和普及，需要完善的產業生態系統支撐。這包括：成熟的供應鏈 (冷卻液供應商、設備製造商、系統整合商)、專業的維運人才、完善的產業規範和測試認證體系。目前，液冷生態系統仍在建設初期，需要產業各方共同努力，加速生態系統的成熟和完善。
• 洩漏風險與維護： 液冷系統管線和接頭數量較多，存在潛在的洩漏風險。雖然現代液冷系統都配備了精密的洩漏檢測系統，但仍需重視洩漏風險防範和應急處理機制。同時，液冷系統的維護方式與氣冷系統有所不同，需要專業的維護團隊和維護流程。

案例探討：液冷技術的多元實踐

液冷技術並非停留在紙上談兵的理論階段，而是已在全球各地的資料中心落地生根，展現出蓬勃的生命力。以下，我們將聚焦幾個不同應用場景的真實案例，深入剖析液冷技術的多元實踐。

案例一：CoreWeave

高密度運算的極致追求 – CoreWeave 液冷 GPU 資料中心，在 AI 運算浪潮下，GPU 伺服器的功率密度持續飆升，傳統氣冷方案已難以滿足其散熱需求。雲端運算公司 CoreWeave，專注於 GPU 加速運算服務，其資料中心大量採用 NVIDIA 液冷 GPU 伺服器，正是液冷技術在高密度運算領域的極致體現。CoreWeave 的資料中心，機櫃功率密度高達 30-50kW，部分甚至超過 100kW，遠超傳統氣冷資料中心。其採用的 直接接觸式液冷方案，為 NVIDIA A100、H100 等高功耗 GPU 提供精準散熱，確保 GPU 核心溫度維持在 50℃ 以下，GPU 運算效能提升 20% 以上。同時，液冷系統的 PUE 值 低至 1.05，能源效率驚人。CoreWeave 的成功實踐，證明液冷技術是高密度 AI 運算的最佳散熱方案，為 AI 產業的蓬勃發展奠定了基礎。

案例二：Arctiq

浸沒式液冷的效能典範 – Arctiq 的兩相浸沒式 HPC 解決方案，Arctiq 公司是一家專注於浸沒式液冷 HPC 解決方案的創新企業，其 兩相浸沒式液冷技術，在高效能運算領域樹立了新的效能典範。Arctiq 的液冷系統，採用 3M™ Novec™ 工程流體 作為冷卻液，利用其 極低的沸點和極高的汽化潛熱 特性，實現卓越的散熱效能。在實際應用中，Arctiq 的兩相浸沒式液冷系統，可將伺服器 CPU 溫度維持在 30℃ 以下，PUE 值低至 1.03，冷卻能耗降低 90% 以上。更驚人的是，Arctiq 的液冷系統，可支援高達 1MW 的機櫃功率密度，是傳統氣冷方案的數十倍。Arctiq 的案例，充分展現了兩相浸沒式液冷技術在極致散熱、極致節能方面的巨大潛力，為 HPC 資料中心實現綠色高效運算提供了理想方案。

案例三：Orange

電信營運商的綠色轉型 – Orange 液冷資料中心，歐洲電信巨頭 Orange，積極響應綠色轉型號召，在其位於法國諾曼第的資料中心，大規模部署 直接接觸式液冷技術，對傳統氣冷資料中心進行升級改造。Orange 的液冷改造專案，共部署了超過 800 個液冷機櫃，覆蓋了資料中心的核心運算區域。改造後，該資料中心的 PUE 值 從 1.6 降至 1.2 左右，每年節省電力超過 25%，碳排放量顯著降低。液冷改造還 釋放了 20% 的機房空間，為未來業務擴展預留了空間。Orange 的實踐證明，液冷技術不僅適用於新建資料中心，也適用於對現有資料中心進行綠色升級改造，為傳統資料中心的永續轉型提供了可行的方案。

案例四：Vertiv

邊緣運算的靜謐夥伴 – Vertiv 浸沒式液冷微型資料中心，隨著 5G、物聯網、邊緣運算的興起，微型資料中心的需求快速增長。然而，傳統微型資料中心通常部署在空間有限、環境惡劣的邊緣節點，散熱和噪音問題尤為突出。資料中心基礎設施供應商 Vertiv 推出了 浸沒式液冷微型資料中心 解決方案，完美解決了邊緣運算的散熱難題。Vertiv 的浸沒式液冷微型資料中心，採用 兩相浸沒式液冷技術，散熱效率極高，無需風扇，實現完全靜音運行，非常適合部署在辦公室、零售店、工廠車間等對噪音敏感的環境。同時，浸沒式液冷微型資料中心 體積小巧，可靈活部署，滿足邊緣運算場景對彈性和靈活性的需求。Vertiv 的創新方案，為液冷技術在邊緣運算領域的應用開闢了廣闊前景。

液冷技術未來展望：普及化與多元化的發展

液冷技術，已不再是實驗室裡的「黑科技」，而是走向大規模商用部署的成熟方案。市場研究機構預測，全球液冷資料中心市場規模，將以 每年 20% 以上的複合成長率 快速擴張，2027 年市場規模將超過 100 億美元。

展望未來，液冷技術將呈現普及化和多元化的發展趨勢：

• 普及化： 隨著液冷技術成本持續下降、標準逐步完善、生態系統日趨成熟，液冷技術將從高密度運算場景，加速向更廣泛的資料中心應用場景滲透，成為高密度資料中心的標配散熱方案，並逐步在傳統資料中心改造中普及應用。
• 多元化： 液冷技術將在 冷卻液種類、系統架構、應用場景 等方面呈現多元化發展趨勢。
  • 冷卻液： 更高效、更環保、更低成本的新型冷卻液將不斷湧現，例如 生物基冷卻液、奈米流體冷卻液 等。
  • 系統架構： 液冷系統將朝著 更智慧化、更模組化、更易維護 的方向發展，例如 AI 智慧液冷控制系統、即插即用液冷模組、無液冷劑洩漏風險設計 等。
  • 應用場景： 液冷技術將在 邊緣運算、水下資料中心、液冷儲能、液冷充電樁 等新興領域開拓更廣闊的應用空間，與更多永續技術融合，例如 液冷廢熱回收供暖、液冷與再生能源整合 等，打造更綠色、更高效的資料中心生態系統。

結論：擁抱液冷，邁向資料中心永續未來

液冷技術，是資料中心散熱領域的一場革命，它以顛覆性的技術創新，突破了傳統氣冷的瓶頸，為資料中心帶來了效能、節能、永續的全面提升。從高密度 AI 運算，到雲端服務、電信機房、邊緣運算，液冷技術的身影已遍佈各個資料中心應用場景，展現出強大的生命力和廣闊的發展前景。

面對日益嚴峻的能源危機和氣候變遷挑戰，擁抱液冷技術，已不再是錦上添花的選擇，而是資料中心產業實現綠色轉型、邁向永續發展的必由之路。讓我們共同期待，在液冷技術的引領下，資料中心產業將迎來一個更加高效、綠色、智慧的未來！

常見問答

引用資料來源

液冷資料中心市場規模預測： Liquid Cooling Market worth $15.0 Billion by 2027 – Exclusive Report by MarketsandMarkets™. MarketsandMarkets Research Report. https://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/liquid-cooling.asp

資料中心耗電量佔全球總用電量的 2% 左右： Jones, N. (2018). How to stop data centres from gobbling up the world’s electricity. Nature, 561(7722), 163–166. https://www.nature.com/articles/d41586-018-06034-5

CoreWeave 液冷 GPU 資料中心案例： CoreWeave 官方網站. https://coreweave.com/

Arctiq 浸沒式液冷 HPC 解決方案案例： Arctiq 官方網站 – Technology. https://www.arctiq.ca/technology

Orange 液冷資料中心案例： Vertiv and Orange collaborate to deploy liquid cooling. Vertiv Official Website. https://www.vertiv.com/en-emea/about/news-and-insights/articles/case-studies/vertiv-and-orange-collaborate-to-deploy-liquid-cooling-at-new-data-center-in-france/

Vertiv 浸沒式液冷微型資料中心案例： Vertiv VRC Rack Brochure. Vertiv Official Website. https://www.vertiv.com/4af425/globalassets/products/thermal-management/vrc-rack-liquid-cooling/vertiv-vrc-rack-brochure.pdf