液冷式散熱技術全面解析：資料中心高效能與AI部署的未來關鍵

一、傳統風冷的限制與轉型壓力

風冷透過空調機房與伺服器內建風扇進行散熱，雖在過去十數年為主流設計，但如今已面臨多項挑戰：

• 散熱效率不足：當伺服器熱密度超過10kW/rack 時，風冷難以快速排熱，導致硬體降頻或損壞風險升高。
• 高能耗與PUE：空調系統耗電高，導致資料中心 PUE（能源使用效率）常超過1.5。
• 空間與氣流管理複雜：需精細設計冷熱通道、氣流迴圈，部署彈性低。
• 高噪音與維護成本：大量風扇與冷氣設備產生高噪音，且維護頻率高。

二、液冷散熱的核心優勢

液冷技術是透過高導熱性的液體（如水、油或特殊冷卻液）來吸收與轉移伺服器所產生的熱能，相較於空氣，其導熱效率高出數十倍以上，具備以下關鍵優勢：

• 高熱傳導效率：液體比空氣具更高熱容與導熱率，可快速將熱源溫度拉低。
• 降低整體PUE：可將PUE降至1.2甚至1.05以下，大幅節能。
• 適應高密度運算需求：單機櫃可支援20~50kW以上的運算密度。
• 減少噪音與空調依賴：封閉液冷系統不需風扇，運作更安靜。
• 提升系統穩定與壽命：降低溫度波動對硬體的影響，有助於延長伺服器壽命

三、液冷技術的類型與冷卻媒介選擇

液冷散熱系統依據散熱結構設計與冷卻介質的不同，大致可分為三種主要形式，各有對應的應用場景與技術需求：

1. 冷板式液冷（Cold Plate / Direct-to-Chip / D2C）

透過金屬冷板直接貼合伺服器中的 CPU、GPU 等高熱元件，並以冷卻液循環吸熱。

• 冷卻介質：多以去離子水或含添加劑的冷卻液為主
• 應用場景：高效能雲端伺服器、AI訓練平台
• 技術優勢：可逐台部署、維護簡便、與現有機架相容性高

2. 機櫃液冷（Rear-Door / In-Rack Cooling）

於機櫃後門或側邊安裝熱交換器模組，將伺服器排出的熱氣轉由液體管路帶走。

• 冷卻介質：主要為水冷系統，導熱效率高但需良好密封設計
• 應用場景：傳統資料中心改裝、漸進式液冷導入
• 技術優勢：部署門檻低、不需更動原有伺服器結構

3. 浸沒式液冷（Immersion Cooling）

將整組伺服器直接沉浸於特殊的絕緣液體中進行全面散熱，可分為單相與雙相系統。

• 冷卻介質：使用絕緣冷卻油或氟碳類冷媒（油冷為主流形式）
• 應用場景：AI超算叢集、邊緣運算、高環境溫度地區
• 技術優勢：散熱均勻、節能顯著、空間使用效率高

四、液冷系統中常見冷卻介質：水與油的角色

在不同類型的液冷系統中，最常見的冷卻媒介為：

• 水冷：使用去離子水或含添加劑的冷卻液，導熱效率高但具導電性，需良好封閉設計。主要應用於冷板與後門散熱系統。
• 油冷：使用絕緣冷卻油，通常搭配浸沒式設計。可完全包覆伺服器硬體，達到極限散熱，但系統建置成本與維護要求高。

雖然「油冷」與「水冷」常被並列討論，但實際上它們是不同應用場景下所採用的冷卻媒介或子系統技術，不構成液冷技術的絕對分類基礎。

五、液冷部署趨勢與全球應用實例

隨著生成式 AI、高效能運算（HPC）與大型模型訓練快速發展，伺服器的熱密度大幅提升，液冷技術也從實驗走向主流。各大雲端與資料中心業者正積極導入冷板式、浸沒式與模組化液冷解決方案，支援單櫃 30～70 kW 以上的高密度部署，同時兼顧能源與水資源效率（WUE）。

• Google：自 TPU v3 起全面使用冷板液冷，有效提升導熱效率與系統可用性。
• Microsoft：部署雙相浸沒式液冷，並研發「零蒸發」水冷系統，減少資源耗損。
• NVIDIA & Meta：為 AI 晶片平台如 GB200 導入高密度液冷系統，支援單櫃多達 72 GPU，顯著強化能效與散熱。
• Equinix & Digital Realty：著手標準化液冷機櫃與模組化服務，推動全球資料中心轉型。

根據 Uptime Institute 預估，到 2026 年將有超過 30% 新建資料中心導入液冷系統，成為 AI 基礎建設的重要支柱。

面對不斷提升的伺服器功耗與能效需求，液冷不僅是一項技術升級，更是未來資料中心可持續發展的核心策略。無論是大型雲服務平台、ISP 或邊緣運算節點，導入液冷系統已不再只是選項，而是應對未來運算環境不可或缺的基礎設施規劃。