📝 氣冷,液冷 傻傻分不清？ 帶你了解AI下一代散熱技術

💎 AI 伺服器將大幅推升伺服器市場規模，伺服器均價可望自 2022 年的 8,500-9,000 美元，2023 年躍升至 10,000 美元以上，主因 AI 伺服器 平均單價ASP 為一般伺服器之 10 倍以上。

Bloomberg 預估 2022-32 年市場規模年複 合成長 42%至 1.3 兆美元，相關硬體 (如伺服器、儲存裝置)產值預估將占所 增加產值之 30-35%。

散熱技術為 AI伺服器設計之關鍵, AI 伺服器的散熱與 PCB 單價將較一般伺服器成長 9-10 倍，電源供應器則將成長約 7 倍；冷卻風扇、導軌與機箱將成長 3-4 倍；記憶體與交換器成長約 2 倍。

🍖 簡單來說, 散熱系統是透過熱傳導和熱對流, 將電子設備運作時所產生的廢熱發散出去, 來維持在合適的溫度下運作。 若廢熱無法有效發散, 會影響半導體元件壽命和功能。

🍖散熱模組結構為

➡️ 均熱片

+散熱模組(熱導管+熱板+鰭片+導熱膏)

+風扇

🍖 高溫會導致元件膨脹, 反覆熱脹冷縮易使元件電路損壞, 降低元件壽命, 更會直接影響半導體元件的電阻值，降低電流速度,進而影響其能源使用效率 (PUE)。

💎 目前散熱可分為傳統氣冷散熱和液冷散熱兩種。

🍖 氣冷散熱

主要由:

熱介面材料TIM（Thermal Interface Material),均熱片(VC)或熱導管, 將熱先導出,再由散熱鰭片(Heat Sink)和風扇與空氣對流進行散熱

➡️ NVIDIA 和AMD GPU 之相對應廢熱散發效率: 熱設計功耗 (TDP, 單位為W ) 均已瀕臨或超過氣冷散熱極限。

目前,主流伺服器高階 CPU 熱設計功耗 (TDP)已達 350~400 W; GPGPU 和 Switch IC 更已突破 600W、800W, Intel、AMD 下一代 CPU 之 TDP 也將突破 500W。

🍖液冷式散熱

透過液冷板(Cold Plate), 或是浸沒式散熱方式, 透過與液體熱對流散出熱, 讓晶片降溫。

➡️ 液冷散熱成本雖較高, 但可在較小體積且較為省電下達成較高的解熱效率。

另外, 於使用液冷散熱系統的資料中心在電力使用效能(PUE)表現上顯著優於傳統使用空調系統建構的資料中心, 企業和 CSP 業者為考量 ESG 發展, 已開始少量導入。

➡️ 液冷式散熱相對氣冷式散熱產品平均單價(ASP) 價差50%~數十倍,因此在 GPU 熱設計功耗 (TDP) 持續上升之趨勢下，下一代散熱模組廠將顯著受惠。

➡️ 下一代之散熱模組設計, 可分為:

3DVC 與 液冷式散熱

其中, 液冷式散熱 又分為 浸沒式 與開放式 , 兩種系統。

1. 3DVC: 散熱板與真空熱導管整合,其成本較低但體積較大
2. 液冷式: 利用水或特殊液體, 協助降溫, 為未來發展主流。成本較高, 但**可在較小體積下達成較好解熱效率,**也較為省電。

(1) 浸沒式 Immersion Liquid Cooling:

又可分為 (a) 單相式 與 (b)雙相式

浸沒式散熱將伺服器完全浸沒於介電冷卻液當中，直接透過液體對流的方式將廢熱自晶片轉移至液體中。

(a) 單相式

經由熱交換器將液體冷卻

(b) 雙相式

液體蒸發成氣體上升到密封槽頂部，接觸到冷凝管後重新落回池中。

(2) 開放式 Open Loop Liquid Cooling

開放式液冷較傳統氣冷多加入了

液冷板模組(Cold Plate),

冷卻液分配器(CDU),

冷卻水歧管(CDM),

並透過冷卻器和風扇背門或是熱交換器(RDHx)讓冷卻液降溫

資料參考:

📝 凱基證券-3324 雙鴻 (20230807 向子慧, 余昀澄)

📝 凱基證券-3017 奇鋐 (20230809 向子慧, 余昀澄)

📝 凱基證券-電子硬體產業 (20230802 向子慧, 余昀澄)

📝 富果研究-2023H2投資洞察報告書

📝 富果研究-氣冷、液冷是什麼？讓伺服器效能穩定的「散熱技術」有哪些發展趨勢？

(2023 0505 Alex Huang )

📝 統一投顧-AI商機崛起，伺服器供應鏈看俏 （20230717 侯喬比)

📝 元富投顧-AI驅動散熱跨時代革命 (20230605 蕭淑君)

📝 元富投顧-綠色算力推手 夜冷式散熱 (20230707 蕭淑君)

📝 YouTube- 投資伊森

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