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水冷散熱是什麼?水冷散熱技術?千瓦散熱技術?水冷散熱概念股有哪些?
作者 StevenC
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水冷散熱是什麼?水冷散熱技術?千瓦散熱技術?水冷散熱概念股有哪些?

2024 年 5 月 23 日

 
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AI 算力需求急增,驅動雲端資料中心的架構產生變化,以 NVIDIA GB200 NVL72 為例,該伺服器功耗超過 1,000W,超過氣冷解熱上限,因此首次採取水冷散熱技術,以達效率最佳化。

另外,散熱大廠雙鴻科技董事長林育申表示,氣冷散熱的「臨界點」,將落在單顆處理器發熱功率 500W 。以目前 AMD 去年底釋出的新產品而言,已接近 400 瓦, Intel 的繪圖晶片處理器更直上 700 瓦,儘管現階段客戶仍在觀望,但依照目前趨勢,客戶採用全面水冷只是時間早晚的問題。

在此趨勢之下,台灣既有的氣冷散熱模組供應商、電源管理商和伺服器廠商皆開始切入水冷散熱的商機,那麼水冷散熱到底是怎麼樣的技術呢?水冷散熱有哪些概念股?讓股感從散熱模組開始為你介紹!

散熱模組現況?

目前散熱模組分為「氣冷散熱」和「水冷散熱」兩種,其中「氣冷散熱」就是用空氣做為媒介,透過熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)、均熱片(VC)或熱導管,由散熱鰭片(Heat Sink)或風扇與空氣對流進行散熱,而「水冷散熱」則是透過是以液體作為熱能傳導機制的散熱方式,水冷散熱系統目前有兩種方式,分別是開放式水冷(Open Loop Liquid Cooling)和沈浸式水冷(Immersion Liquid Cooling)。

接下來本篇文章將著重在「水冷散熱」說明他的重要性跟專業技術。

為什麼水冷散熱重要?

隨著生成式 AI 興起,伺服器的運算能力越來越強,使晶片熱設計功耗(TDP)的提高,傳統的氣冷散熱技術已經無法負擔,因為氣冷散熱以空氣作為介質,空氣傳遞熱的效率不佳,氣冷散熱最大的臨界點約落在約 400~500W,為了提高散熱效率,目前主要採取 3D 均熱板(3DVC),升級傳統的氣冷散熱模組,加強熱傳導的效率,該技術最高可散熱約 800W,雖然成本較低但體積大,此外,仍需配合空調降溫,使電力使用效能(PUE)極高(約 1.5~1.7 ),在 ESG 趨勢之下,目前多數國家,如歐盟、中國皆要求未來興建之資料中心的電力使用效能(PUE)需低於 1.3,

註:電力使用效率(PUE)是什麼?

PUE(Power Usage Effectiveness,電力使用效率)是計算資料中心節能省電的標準,計算的方式是資料中心的「設施的總用電量」與「IT設備用電量」之比。PUE 值越低,代表機房空調冷卻時所耗的電力就會更少,理想的 PUE 比率為 1.0,但是資料中心需要冷卻系統、照明和其他設備,這些設備也會消耗部分電力,因此,正常來說資料中心的 PUE 將始終大於 1.0,傳統的資料中心的 PUE 落在 1.5~1.7。

此時,水冷散熱技術是目前新的解決方案,此技術又可以拆分為開放式水冷和沈浸式水冷,其中為沈浸式水冷的效果最強,極大的提高散熱效率,有效降低設備運行溫度,延長設備使用壽命,解決傳統氣冷卻的能源消耗、用水、碳足跡等成本居高不下的問題。

另外,現在的高階 AI 伺服器功耗都至少500W以上,NVIDIA GB200 NVL72 攻耗更是超過 1,000W,故需要更強的散熱技術解決,故水冷散熱成為未來重要趨勢及技術。

接下來,筆者將深入介紹水冷散熱的技術及應用場景。

水冷散熱是什麼?

水冷散熱可分為「開放式水冷」與「沉浸式水冷」兩種,除了技術不同外,兩者應用場景也有所差異,另外還有「相變化水冷技術」,可搭配「開放式水冷」與「沉浸式水冷」提升效能。

開放式水冷

開放式水冷可以沿用原本的氣冷機櫃,降低風扇及空調得需求,使耗電程度下降,進一步讓營運成本降低,是目前換代最佳選擇,不過會有漏液的問題需要維護。

開放式水冷較傳統氣冷多加入了液冷板模組(Cold Plate)、冷卻液分配單元(CDU)、冷卻水歧管(Manifold),並透過冷卻器和風扇背門或是熱交換器(RDHx)將冷卻液降溫,其運作模式是:

將裝滿冷卻液的密封管線(或稱封閉式冷卻迴路)環繞在伺服器內發熱的零件附近,透過導熱銅片(或稱「冷板」)將熱能傳導到冷卻液。冷卻液沿著管線流出伺服器,透過風扇背門排出廢熱使液體降溫,或透過熱交換器與外部循環水進行熱交換,最終流回伺服器內繼續使用。

資料來源:The immersion cooling technology: Current and future development in energy saving

沉浸式水冷

沉浸式水冷建造成本高昂 ,整個機櫃需要重新設計,無法沿用氣冷機櫃,且後續營運維護不易,AI 晶片大多廠商都沒有保固,如果冷卻液損壞了伺服器將會產生大量問題,不過散熱能力較有效率,耗電程度也較低。

沉浸式水冷是將伺服器完全浸沒在絕緣的液體(液冷劑)中,讓液體直接接觸和液體流動來傳導熱能,不需要透過散熱鰭片、導熱銅管或風扇等,液體透過循環冷卻方式再回流繼續吸收熱能,沈浸式水冷又可以分為『單相式水冷』或『兩相式水冷』。

單相式沈浸式水冷,把伺服器浸沒至導熱的介電液體槽中,流體不會改變其形態,始終保持為液態,伺服器產生的熱透過不導電冷卻液與發熱零組件直接接觸,透過冷卻液分配裝置 (CDU)裡設置幫浦來吸引介質流入裝置中進行散熱循環,若冷卻劑溫度無法適時降溫,則再透過額外一組冷卻設備來完成整個熱轉換循環;此液體沸點較高、不易揮發特性,因此單相浸沒式水冷系統通常無須嚴苛的密閉設計與環境控制要求。

由於單相式沈浸式水冷的冷卻液揮發性較低及不容易蒸發,故構造設計相對簡單,使前期建制成較低,後續的維運成本也比較容易控管。

資料來源:技嘉

兩相式沈浸式水冷,將伺服器浸沒至經過特殊設計的密封液體水槽,水槽內充滿不導電的冷卻液,此冷卻液的沸點低,伺服器內部產生的熱能,使散熱元件的附近的液體沸騰,液體在低溫蒸發的過程,自然形成冷熱帶走熱能,蒸氣在密封的液體水槽內,透過冷凝盤搜集蒸汽,再冷卻還原成液態,週而復始的進行熱交還的循環。

兩相式沈浸式水冷因為需要非常緊密的密封水槽,在設計及建置上較為複雜,另外在後續的維運上,因為該液體揮發性較高,故容易液體揮發流失,需要重新補充冷卻液。

資料來源:技嘉

  單相式沈浸式水冷 兩相式沈浸式水冷
冷卻液沸點 較高 較低
冷卻液是否有蒸發 始終保持液態 冷卻液會蒸發,再冷卻循環
水槽封閉狀況 無須嚴苛的封閉環境 完全緊密的封閉環境
初期建置成本 較低 較高
後期維運費用 較低 較高
電力使用效率 高,PUE 1.02~1.03 高,PUE 1.01~1.02

編按:單相式沈浸式水冷與兩相式沈浸式水冷沒有絕對的好壞,筆者僅針對兩項技術做出比較與區分,該項技術依據建置資料中心的考量不同,而採用適合的沈浸式水冷技術。

相變化水冷技術 -晶片均溫蓋板

​​為了使晶片體積縮小且效能更高,走向晶片垂直堆疊整合技術,但也讓晶片更難散熱,因此如何有效散熱為重要課題。 工研院研發的晶片均溫蓋板(Vapor Chamber Lid,VC Lid)此項技術能夠有效解決此問題,此技術採用 TGP LID 高均溫元件,而且 VC Lid 是一種極高效的熱擴散元件,整合於晶片模組之中,並貼合模組中的 AI 晶片,透過真空的蒸汽腔體,進行晶片內的水量蒸發與冷凝,達到快速傳熱與大量移除熱量的效果。相較於目前已普遍使用的實心銅蓋板(Cu Lid),應用均溫板(Vapor Chamber,VC)原理所開發的 VC Lid,散熱效果至少可再高出 30% 以上;如果後續的性能與可靠度更加精進穩定,VC Lid 將會成為每個 AI 晶片模組上,必要且關鍵的散熱元件,重要性不容小覷。

此外,目前 VC Lid 可導入水冷散熱系統, VC Lid 搭配開放式水冷可有效散熱 600W ,若搭配沉浸式水冷更可以散熱 1000W,達到千瓦散熱的技術。

資料來源:工研院

水冷散熱概念股

台股中,有眾多公司皆有著墨水冷散熱技術,以下為目前台股主要的水冷概念股,介紹個股具備的題材,以及未來的營收展望。

筆者先針對個股對應的技術和題材做出整理,若讀者想針對有興趣的個股了解,下方將有更詳細的介紹。

個股 技術&題材
雙鴻(3324-TW) 投入逾 10 年研究水冷散熱,水冷版已持續放量出貨,沈浸式水冷正在研發試產中,雖然目前水冷佔營收比重不到 5% ,預估 2025 年水冷營收比重上升至 32% 。
奇鋐(3017-TW) 目前已是美系 CSP 的 GB200 伺服器供應商之列,2024 年水冷營收佔比可望達到 5~10% ,預期 2025 年再翻倍,沈浸式水冷散熱研發試產中。
高力(8996-TW) 擴充岐管(Manifold)、冷卻液分配(CDU)產能,預期在 2024 下半年顯著貢獻營收,沈浸式水冷客戶以台系伺服器廠商為主,預計 2024 年水冷營收占比達到 17% , 2025 年達到 35% 。
力致(3483-TW) 於新北市新莊建廠,發展開放式水冷及沈浸式水冷,2024/4 月底完工,5 月開始量產,預計開放式水冷每月生產約 10,000 套,沈浸式水冷生產約 100 套。
廣運(6125-TW) 2018 年成立熱傳事業群,2023 年廣運、其陽和工研院發布兩方攜手合作,導入先進的雙相浸沒式冷卻技術,整體系統散熱能力超過 2,000W,目前美系 AI 伺服器大廠正在驗證階段。
一詮(2486-TW) 2023 年工研院與一詮聯合發表「相變化水冷散熱技術」,開發千瓦級高強度的散熱元件,工研院表示,已達到全球最高千瓦散熱水準,目前已經交貨給數家美國 HPC 大廠驗證中。
尼德科超眾(6230-TW) 從 2018 年開始投入研發伺服器水冷散熱系統,近期因母公司 Nidec 接獲 AI 伺服器製造商美超微訂單,擬增加伺服器水冷模組 CDU 產能 10 倍。

下方為上述個股詳細的介紹,讀者可針對有興趣的個股,做進一步的了解。

雙鴻(3324-TW)

成立於 1998/8 ,營收比重分別為 NB 及桌機散熱模組 46% 、 VGA 及電競筆電 26% 、伺服器 23% 、其他 5% ,銷售地區主要為亞洲為主,其次為歐洲、美洲,主要品牌客戶為Apple、Dell、Samsung、HP、宏碁、華碩、聯想等。

2012年,雙鴻投入150萬美元,從IBM旗下超級電腦深藍(Deep Blue),拿下伺服器水冷技術,之後投入逾 10 年研究水冷散熱。雖然目前營收來自伺服器水冷散熱的占比還不到 5%,不過公司表示,已接到不少的研發案,將逐漸反映在未來的營收,預期 2024 年的研發專案會逐漸轉為訂單,到 2025 年預期能占整體營收 20%~30% 。

奇鋐(3017-TW)

成立於 1991/12,主要營收比重為散熱佔 54% 、機箱佔 13% 、系統及周邊部件佔 24% 、轉軸(富世達)佔 10% ,主要銷售客戶為 Apple、Cisco、Dell、華為、聯想等國際大廠,銷售地區比重為亞洲約 88%、美洲約 9% 、歐洲約 3% ,​​原先產品以 PC 散熱為主,近年來轉向發展利基型產品,如通訊設備、伺服器應用散熱領域。

隨著AI GPU、ASIC 晶片及網通應用增加,在 3D VC 部分,公司在 2024/5 於越南廠增加 25 萬套產能,加計中國廠區原有 15 萬套產能,3D VC 月產能擴大至 40 萬片,後續隨越南廠新製程驗證通後,預計下半年 3D VC 將放大貢獻。

另外,水冷產品營收佔比可望由 2023 年的 2% 上升至 2024 年的 5~10% ,公司目標 2025 年再翻倍,目前已是美系 CSP 的 GB200 伺服器供應商之列,至於沈浸式水冷散熱,因水冷液仍存在問題需要解決,實際導入產品應還需要一段時間,不過公司已經開發產品試產中,雖然目前 3D VC 及水冷散熱的營收貢獻仍不明顯,不過 2025 年將有望有明顯成長動能。

高力(8996-TW)

成立於 1970/10,營收比重為熱能產品約佔 45% 、板式熱交換器佔 55% ,銷售地區比重為美洲約 47% 、亞洲約 33% 、歐洲約 18%,初期以金屬熱處理加工業務為主,陸續跨足銅銲加工及板式熱交換器等產品,為國內唯一掛牌之生產板式熱交換器廠商,為全球前五大的熱交換器廠商,主要應用領域為冷凍空調設備。

開放式水冷與沈浸式水冷產品部分,2023 年已小量供貨,公司表示,隨著 AI 及 GPU 高耗能散熱需求上升,預期未來水冷式應用市場營收有望增高,目前已成功打入美系伺服器客戶供應鏈,預期將致力擴充岐管(Manifold)產能,以滿足客戶水冷機櫃需求,此外,冷卻液分配(CDU)下半年將有更顯著貢獻營收。沈浸式水冷客戶以台系伺服器廠商為主,以專案式出貨,預計 2025 年後有機會以常態出貨。本土券商預估,高力水冷營收占比將由2023年的3%,提升至2024、2025 年的 17% 與 35%,2023~2025年營收年複合成長率高達 373%。

力致(3483-TW)

成立於1997/11,主要營收來自散熱模組及風扇成品,銷售地區以亞洲為主,主要銷售客戶為DELL、宏碁、鴻海、仁寶、廣達及緯創等。

近年來積極佈局水冷解決方案,除了和英特爾成立散熱冷卻技術聯合實驗室,力致也在新北市新莊建廠,發展開放式水冷及沈浸式水冷,打造從設計、製造、驗證一條龍系統的先進技術總部,公司表示於 2024/4 月底完工,5 月開始量產,預計開放式水冷每月生產約 10,000 套,沈浸式水冷生產約 100 套,開放式水冷 PUE 可達 1.3 以下,沈浸式水冷可達到 1.1 以下,中長期成長動能展望樂觀,未來觀察 5 月營收後的表現,是否有逐月及逐季成長。

另外,近期公司於 2024/3/8 發行可轉債(轉換定價 168 元)及現金增資。

廣運(6125-TW)

成立於 1976/7 ,主要營收佔比為自動化物流系統約佔 44% 、太陽能電池約佔 41% 、工業電腦約佔 5% 、車用電子產品約佔 3% 。

2018 年成立熱傳事業群,開發高效能機房或AI數據中心散熱水冷方案,近年發展出水對氣、水對水及雙相浸沒式等產品,在散熱領域提供熱傳導完整解決方案,水冷產品從監控主機、水冷背門到零組件俱全。2023 年廣運、其陽和工研院發布攜手合作,導入先進的雙相浸沒式冷卻技術,實現高效能的熱管理並提升能源使用效率,廣運兩相浸沒式散熱設計應用於其陽的 SCB-1946 網路伺服器,並與工研院電光系統所進行技術合作開發,整體系統散熱能力超過 2,000W ,目前美系AI伺服器大廠正在驗證階段,可關注後續公司發布重大資訊及2024年下半年的營收變化。

一詮(2486-TW)

成立於 1977/6 ,主要營收為導線架約佔 60%、直下式電視背光模組約佔 14%、約佔均熱片(半導體) 19%、陶瓷基板約佔 9% 、IC 導線架約佔 9% 。

2023年,工研院與一詮聯合發表「相變化水冷散熱技術」,開發千瓦級高強度的散熱元件,直接貼附在高效能運算晶片表面,藉由晶片內的水量蒸發與冷凝,即可達到快速傳熱與大量移除熱量效果,工研院表示,「全球散熱能力最強的相變化水冷技術」,達到全球最高千瓦散熱水準,超越目前散熱技術一倍以上,目前已經交貨給數家美國 HPC 大廠驗證中。

另外,近期公司於 2024/4/9 發行現增發行 1200 萬股及發債 6 億元。

尼得科超眾(6230-TW)

成立於 1973/12 ,日本電產(Nidec)於 2018/10 ,宣布斥資 44.76 億元收購公司 48% 股權,成為最大股東,公司主要研發及製造熱導管與散熱元件,核心競爭力為熱管設計與製造能力,熱管 100% 自製,產能與良率為模組廠之冠,主要營收為散熱模組約佔 79% 、散熱片約佔 16% 。

從2018年開始投入研發伺服器水冷散熱系統,在 Nidec 成為大股東後,基於集團的分工及產能安排,尼得科超眾規劃生產水冷板、鰭片,其餘水冷核心技術則由日本研發中心負責,母公司主要生產風扇、CDU,近期因母公司 Nidec 接獲AI 伺服器製造商美超微訂單,擬增加伺服器水冷模組 CDU 產能 10 倍,為了持續擴增水冷商機,甚至不排除未來會將 CDU 月產能再擴增。

未來看法

目前區分三種散熱技術適用的熱功率範圍,500W 以下用氣冷,500~1000W 用開放式水冷,超過 1000W 要用到沈浸式水冷。在 AI 算力需求急增之下,未來伺服器功耗只會越來越高,此外,在 ESG 趨勢之下,資料中心被要求電力使用效率(PUE)需要低於 1.3 , 3D VC  雖然能夠加強熱傳導的效率,可散熱約 800W,但 PUE 卻居高不下(落在 1.5~1.7 ),水冷散熱成為未來重要且必要的技術。

在股價上,總是呈現舊不如新,新不如奇,散熱雙雄中的雙鴻、奇鋐在 2024 年初經歷了一波飆漲,股價漲幅一倍以上,隨後在法說會為表示說,目前水冷的技術仍在初期跟試產中,要等到 2025 年才會量產,因此股價進入修正盤整,不過指標股持續在盤整階段沒有跌破,代表水冷散熱這個題材仍是市場投資人看中的,此時切入水冷商機的類股就有他們的上漲機會,而且更是會有明顯的上漲波段可以期待。

另外在水冷散熱中,因為伺服器是透過液體散熱,沈浸式更是浸泡在液體裡,若組裝及維運過程中,發生任何機櫃壞損,使液體流出或伺服器損壞, AI 大廠會向散熱模組廠商進行求償,此時散熱廠商的資產就要足夠大,預防意外發生,若資產太小的廠商, AI 大廠會較不青睞使用該公司的產品,因此,像是力致、一詮都有做現金增資及發公司債的籌資活動,可以留意後續公司的營運狀況。

最後,工研院和廣運、一詮合作開發「雙相浸沒式冷卻技術」、「相變化水冷散熱技術」,打造千瓦散熱的技術,過去與工研院合作的公司,未來大部分都有正向的發展,此項技術是否受到國際大廠認證,及實際商用化,也是值得期待的。

越來越多廠商佈局水冷散熱,投資人可留意上述得概念股,從中分析利多題材、營收展望、股價走勢,找出適合自己的投資標的的,參與水冷散熱的大行情。

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