引言：隨著人工智能（AI）技術的廣泛應用，對中央處理器（CPU）和圖像處理器（GPU）的運算能力提出了更高要求，冷卻系統的設計也面臨嚴峻挑戰。目前，散熱技術中以液冷散熱方式效果最佳，常見的兩種伺服器專用液體冷卻技術，分別為直接液冷(DLC)及浸沒式液冷(immersion cooling)，浸沒式液冷散熱技術近期受到廣泛關注，可分為單相浸沒式液冷與兩相浸沒式液冷。直接液冷方面，新一代技術提出超流體冷卻散熱系統，所謂「超流體」（Superfluid）是一種獨特的流體狀態，其特性在於黏度和摩擦力幾乎為零，能顯著提高液體在冷卻管路及導熱板內的流速，大幅增強散熱效率，憑藉其高效的散熱能力，不僅能有效提升高功率設備的散熱性能，還可延長設備使用壽命並增強其運行效能。隨著技術的進一步成熟，超流體散熱有望廣泛應用於高性能計算（HPC）與人工智能等高功率產品。英特爾於2023年推出Open IP SuperFluid Cooling Technology，應用於單相式冷卻液，超流體技術主要利用空氣當作潤滑系統，降低液體在流動狀態下與冷板鰭片的摩擦力，提升流場速度增加熱傳導效率，並可適用水、氟化液、合成油……等多種冷卻液，目前解熱效能已達單晶片1500W以上。本報導透過專利情報瞭解近年應用於伺服器/晶片的流體液冷技術發展趨勢。
博大國際視野：前瞻趨勢
/ 流體液冷
內容摘錄：為實現2050年前淨零碳排放目標，全球國家與跨國企業積極推動相關計畫。隨著AI、5G和元宇宙概念推動大規模資料運算需求的急劇增長，資料中心面臨節能與減碳挑戰，液冷散熱技術因此崛起，成為取代傳統氣冷方式的重要解決方案。液冷技術從1967年IBM的首台冷水冷卻系統到近年Google與Microsoft的浸沒式冷卻，經歷多次創新與應用範圍擴大，預期2024年後將帶動相關專利進一步增長。目前全球流體液冷技術專利申請以中國占比最高（55%），其次為美國（31%）。市場上冷卻技術供應商、資料中心運營商與IT硬體製造商密切合作，聚焦於開發整合型解決方案，如直接晶片冷卻、浸入式冷卻與背板熱交換器，助力資料中心的可持續發展。
壹、 從液冷伺服器的發展歷史看，美國IBM公司於1967年率先實現了首台冷水冷卻系統電腦System360，2003年，IBM推出了基於水冷技術的伺服器，通過將水導入散熱器，從而取代風扇，利用液體傳熱的優勢來提高伺服器的散熱效率。隨著技術的不斷進步，液冷技術的應用範圍不斷擴大，從專利歷年申請趨勢來看，於2012年起專利申請量呈現逐年增長的趨勢，Intel在2012年推出了Thermal Zone的技術，通過將散熱器與晶片直接連接，提高散熱效率，同時降低功耗。近年來google與Microsoft更導入實施浸沒式冷卻技術，提高運算的性能和穩定性，雲端服務商作為資料中心的主要建設者，如何有效節省能源並降低碳排放成為關鍵挑戰，隨著伺服器處理器算力的功耗不斷上升，使得傳統氣冷散熱方式不足以應付，各大廠商正積極研發更具能源效率的散熱解決方案，進而促使液冷散熱解決方案的興起，為資料中心未來推動可持續發展。預期2024年後伺服器/晶片的流體液冷技術專利還會有一波成長，會有更多的競爭廠商加入布局。
▶ 邁萪科技與英特爾合作SuperFluid先進冷卻技術 (2024/06/12 EETT)
▶ 資料中心之沉浸式冷卻技術發展觀測 (2023/09/26 TPCA)
▶ 資料中心關鍵議題－節能及淨零碳排促成資料中心液冷散熱興起 (2022/02/25 MIC)
▶ 一文读懂服务器冷却系统发展史 (2023/05/22 TOPSFLO)
貳、 全球應用於伺服器/晶片的流體液冷技術專利來源，其中以中國專利權人所申請的專利占55%最多，包含百度、Inspur、華為，其次是美國占31%包含IBM、NVIDIA、intel、google等，台灣則占3%包含英業達及COOLER
MASTER、以及歐洲2%。前十大專利權人專利申請量僅占26%，顯示流體液冷技術的專利申請人分散，技術發展多元有相當多業者參與布局市場，並未被大廠所壟斷，仍有發展空間。資料中心液體冷卻市場呈現出全球企業集團與專業冷卻技術供應商相互合作的特徵。透過策略性合作與投資，擴大其液體冷卻產品組合。市場上冷卻技術供應商、資料中心運營商以及 IT 硬體製造商之間的合作日益緊密，共同致力於開發整合型解決方案，涵蓋直接晶片冷卻、浸入式冷卻以及背板熱交換器等技術。
參、 液體冷卻因成本高昂，主要針對應用於高速運算需求，而市場主流仍以氣冷和簡單液冷技術為主。其發展潛力雖大，但應用比例有限，影響因素依賴AI伺服器在市場中的出貨佔比，出貨量的增減將直接影響液體冷卻市場的規模。根據TrendForce的預估，2024年AI伺服器在整體伺服器出貨量中的比重將達到約12%；而根據MIC研究機構的預測，到2027年這一佔比將進一步提升至20.9%，顯示AI伺服器市場的快速增長趨勢。https://chatgpt.com/c/6789d3b9-ccbc-8001-bd0b-48e646bf9000
▶ 全球水冷市場崛起，誰將引領未來潮流？ (2024/10/01 經濟日報)
▶ 中美雙強扮推手 資料中心進入液冷新時代 (2020/06/17 DIGITIMES)
liquid cooling High Technology Impact Patent
說明：本報導採用的高影響力專利，係以Derwent Innovation的影響力指標計算
百度高影響力的專利：US11284543B2資料中心熱管理和基礎設施的設計及佈局，基於熱負荷產生的熱量通過液體-空氣熱交換器去除後，氣流的溫度來控制供給每個模組化冷卻單元的冷卻液冷卻能力，使得冷卻排溫度調控均勻；US11439046B2用於電子機架的液冷系統，具有流體控制單元，透過吸取熱交換器冷凝的冷卻液並將冷卻液提供給液體歧管來在熱交換迴路內循環冷卻液，控制器可以啟動液體泵浦和蒸汽泵浦以更快地驅動流體再循環，從而實現更好的傳熱；US11032949B2資料中心透過預製的液體歧管組裝標準插槽，耦合伺服器機架的冷板以及外部循環冷卻液體，使資料中心能夠動態調整或升級，將原有氣冷設計轉換導入液冷功能。
備註：NVIDIA GB200 NVL72機櫃熱設計功耗（TDP）高達約140kW，須採液冷方案才能解決散熱問題，以水對氣（Liquid-to-Air，L2A）為主流。關鍵零組件供應商，冷水板主要業者為奇鋐及Cooler Master，分歧管（Manifold）是Cooler Master和雙鴻，冷卻分配系統（Coolant Distribution Unit，CDU）為Vertiv及台達電。防漏水關鍵零件快接頭（Quick Disconnect，QD）採購仍以CPC、Parker Hannifin、Denfoss和Staubli等國外廠商為主，台灣供應商嘉澤、富世達等在驗證階段，2025上半年台廠有機會加入快接頭供應商行列，有助逐步緩解供不應求局面。https://technews.tw/2024/09/23/nvidia-blackwell-l2a/
NVIDIA高影響力的專利：US11953957B2用於冷卻電腦環境的系統和方法。一個或多個神經網路可用於調節資料中心的液體冷卻系統的一個或多個流量控制閥，以控制穿過資料中心的液體流速的變化。
0 留言