来源 | Renewable and Sustainable Energy Reviews

链接 | https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115994

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数据中心 “降温战” 已打响，液冷技术成破局关键

国际能源署（IEA）《2024 年世界能源展望》报告揭示了一个严峻趋势：随着大数据时代来临与 AI 技术爆发，全球数据中心的电力需求正以惊人速度飙升。2022 年，全球数据中心耗电量已达 460 太瓦时（TWh），而到 2026 年，这一数字将暴涨至 620-1050 太瓦时，增量相当于荷兰或阿根廷全国一年的总用电量。单看 ChatGPT，其每日运营能耗就高达 564 兆瓦时（MWh），相当于近 3000 户家庭一个月的用电总和。

聚焦国内情况同样不容乐观。预计到2025年中国数据中心耗电量将突破4000亿千瓦时，占全国总用电量的 4% 左右。更值得关注的是，在数据中心的总能耗中，冷却系统消耗的电力占比超过 35% —— 也就是说，每为芯片“降温” 1小时，就要消耗大量电能，这不仅推高了运营成本，也与全球 “节能减排” 的大目标背道而驰。

为什么冷却会成为数据中心的 “耗电大户”？核心问题出在芯片本身。自 2001 年以来，芯片的负载与热流密度逐年攀升，传统的风冷系统早已 “力不从心”。风冷的传热系数有限，面对如今高功率、高热流的芯片，根本无法及时带走热量，就像用风扇给烧红的铁块降温，效果微乎其微。

为了应对这一困境，更高效的液冷技术逐渐登上舞台。目前主流的液冷技术分为单相液冷与两相液冷，而两相液冷凭借 “相变吸热” 的特性（利用工质从液态变为气态时吸收大量热量的原理），展现出更强的冷却潜力。不过，数据中心机柜和芯片侧的空间十分有限，远不如室外冷却塔、压缩式冷却机组等设备的安装空间充裕，这就对两相液冷技术提出了更高要求 —— 必须在狭小空间内实现最大化的瞬时传热能力，才能满足高功率机柜与芯片的散热需求。一场围绕芯片 “降温” 的技术革新已拉开序幕，而两相液冷正是这场革新的核心突破口。

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成果掠影

近日，同济大学臧建彬教授团队系统梳理了直接液冷（两相浸没冷却、喷雾冷却）与间接液冷（两相冷板冷却、热管冷却）两类共四种芯片级两相液冷技术的最新进展与优化方向，为数据中心散热提供清晰技术路线图。其中，间接冷却技术虽更成熟，但冷却能力有限；喷雾冷却拥有更高冷却潜力，却存在安全与稳定性不足的问题；两相浸没冷却在各方面表现均衡，当前已展现出显著应用潜力，而热管冷却凭借被动高效的传热模式，研究基础扎实且优化路径成熟。在关键优化突破上，表面改性是四大技术通用的核心手段，浸没冷却通过激光蚀刻、化学沉积优化表面粗糙度与润湿性，使临界热流密度（CHF）提升近 2 倍，冷板与热管则侧重微通道（如矩形、针翅形）与多孔结构设计，增强气泡生成与液体回流，传热系数（HTC）最高提升 175%；工质与系统优化方面，低沸点介电流体（如 Novec 649、HFE-7100）成为主流，纳米流体通过自组装沉积改善表面性能，使 CHF 提升 205%，但需解决导电性与腐蚀性问题，同时浸没冷却的 “外部冷凝 + 多模式散热” 设计使性能系数（COP）达 6.67，较传统风冷提升 6.7-7.7 倍，冷板通过微通道与射流冲击结合，实现 410W 芯片稳定散热，基底温度控制在 75℃以下；场景适配层面，针对数据中心机柜空间有限的问题，热管技术通过 “传统热管 + 环路热管 + 脉动热管” 组合，实现 “芯片 - 服务器 - 机柜” 多尺度散热，浸没冷却则重点突破非水平热源气泡动力学问题，通过梯度毛细结构使热阻降低至 0.046℃/W。未来方向上，应优先布局两相浸没冷却，尤其适合 AI 超算数据中心，重点开发低成本表面改性工艺（如纳米颗粒自沉积）与非水平热源散热方案；喷雾冷却需聚焦喷嘴参数优化（如 0.56mm 孔径为最优选择）与系统压力控制，未来或成超高热流芯片（如 100W/cm² 以上）的关键方案；共性优化需开发低全球变暖潜能值（GWP）、易降解的环保工质，结合智能控制系统实现动态负载适配，进一步降低功率使用效率（PUE，目前最优已达 1.12）。总体而言，四种技术需根据数据中心功率需求 “按需选择”：低功率场景可沿用间接冷板 / 热管，高功率高密度场景优先采用浸没冷却，特殊超高热流场景可探索喷雾冷却与浸没冷却的混合方案，共同推动数据中心向 “高效低耗” 散热转型。研究成果以“Efficient two-phase liquid cooling and optimization technology on the chip side based on high-power data centers: Summary and prospects” 为题，发表于《Renewable and Sustainable Energy Reviews》期刊。

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图文导读

图 1：a. 数据中心及相关行业能耗趋势；b. 数据中心各部分能耗占比；c. 芯片负载与热流发展趋势；d. 各冷却方式的参数范围

图 2：2004-2024 年 a. 全球数据中心液冷相关文献分布；b. 各类文献数量；c. 各大陆文献数量；d. 四种常见冷却方式的文献增长趋势

图 3：两相液冷及其强化技术结构框架

图 4：a. 基于池沸腾机理的被动式两相浸没冷却技术；b. 基于流动沸腾机理的主动式两相浸没冷却技术

图 5：a. 传统两相浸没冷却系统的数值分析；b. 六种不同实时动态运行负载下两相浸没冷却系统的性能系数（COP）；c. 外部冷凝式两相浸没冷却系统的数值分析；d. 三种不同冷凝方式的外部冷凝系统

图 6：a. 不同几何尺寸的标准微沟槽铜表面；b. T 型微通道；c. 矩形、抛物线形及阶梯形微通道；d. 倾斜微通道；e. 圆柱形阵列微通道

图 7：亲水表面与疏水表面的临界热流密度（CHF）和传热系数（HTC）对比

图 8：a. 两亲性表面的圆柱形阵列；b. 选择性两亲性表面；c. 多孔泡沫铜表面及其强化机理；d. V 型连通铜纳米线；e. 多孔复合表面上的毛细芯吸驱动液芯抽取

图 9：a. 沸腾条件下纳米颗粒的沉积；b. 干涸点附近纳米颗粒沉积的环形区域；c. 亲水性对纳米颗粒沉积的影响；d. 不同表面粗糙度对纳米颗粒沉积的影响

图 10：a. 毛细芯吸驱动液芯抽取的梯度蒸汽腔结构；b. 垂直窄缝池沸腾强化；c. 三种亲水表面对垂直热源池沸腾的影响；d. 相邻水平 - 垂直热源的池沸腾实验；e. 不同角度下池沸腾的 U 型管数值分析；f. 不同角度下池沸腾的气泡形态

图 11：a. 超声波强化池沸腾；b. 电场破碎效应强化池沸腾；c. 磁场对纳米颗粒的影响；d. 外加磁场下纳米颗粒的传热强化；e. 地球或太空微重力条件下全周期内气泡的生长与演变

图 12：喷雾冷却示意图

图 13：a. 不同角度的系统级喷雾冷却系统；b. 微通道喷雾冷却实验台；c. 喷雾冷却系统中的表面粗糙度结构；d. 不同表面粗糙度结构的对比；e. 四面体翅片复合结构；f. 粗糙度诱导的气泡成核强化机理；g. 喷雾冷却系统中的多孔铜表面

图 14：a. 传统矩形微通道冷板；b. 涂覆疏水膜的微通道冷板；c. 矩形微通道 - 微柱结构冷板；d. 均匀型与渐变扩展型矩形微柱结构冷板；e. 喷射与微翅片阵列结合的冷板 ；f. 前端导流结构的矩形微通道组合冷板；g. 四种不同微翅片形状的冷板；h. 开环针翅 - 微针阵列冷板 ；i. 多孔结构两相冷板 

图 15：a. 传统热管 —— 毛细热管；b. 传统热管 —— 重力热管；c. 回路热管（LHP）；d. 脉动热管（PHP）

图 16：a. 回路热管的分离式冷凝器；b. 平板式虹吸回路热管；c. 超长抗重力回路热管的毛细芯；d. 柔性传热管回路热管；e. 带辅助芯抽取通道、附加翅片及风扇的回路热管 ；f. 水平非对称直径脉动热管；g. 仿生叶脉结构脉动热管；h. 多弯曲管脉动热管

图 17：两相液冷技术对比 a. 优缺点对比；b. 参数对比