劉君愷 / 乾坤科技
隨著AI伺服器晶片功耗逼近1,000W至3,000W且熱通量突破200~400 W/cm2，傳統氣冷已達物理極限，推動資料中心全面轉向液冷。目前市場以商業化最成熟的單相水冷板為主流，台廠具備強大量產規模。面對高熱通量帶來的流阻與溫差瓶頸，散熱架構正向微流道、兩相冷板（2P-DLC）、噴流衝擊及浸沒式等先進技術演進。為徹底消除熱介面材料（TIM）的傳導熱阻，技術路徑正由外加組件走向封裝一體化。例如由台積電主導的「矽整合微通道（IMC-Si）」，直接於矽晶圓背面蝕刻微流道，解熱能力突破3.4 kW。同時，結合冷板高導熱與浸沒式全機均溫特性的「複合式冷卻（Hybrid）」重要性日益提升。這些多元並進的先進液冷技術，正構成下一代高效能AI算力基礎設施與熱管理的關鍵支柱，也是台灣散熱產業積極布局方向。
【內文精選】
隨著AI功能需求大幅提升，資料中心伺服器CPU/GPU運算性能不斷增加，晶片發熱問題日趨嚴重，晶片功耗（TDP）與熱通量（Heat Flux）急遽增長，如圖一所示。由晶片熱設計功耗趨勢（Chip TDP Trends）來看Intel、AMD及NVIDIA三大廠商晶片功耗的歷史與預測趨勢：從2010年前的低於500W，預計到2030年，高效能晶片的功耗將突破1,000W至1,500W，部分甚至可能趨向3,000W，其中以NVIDIA功耗增長速度最為顯著。由熱通量（Heat Flux）與散熱解決方案來看，單位面積熱產出的變化以及散熱技術分水嶺：2018年熱通量約為50 W/cm2，尚處於氣冷解決方案（Air Cooling Solution）的有效範圍內。2022年熱通量達到100 W/cm2，已逼近氣冷的極限。2026年預測將達到200 W/cm2，必須全面採用液冷解決方案（Liquid Cooling Solution）才能有效散熱。2030年預測熱通量將超過400 W/cm2。隨著AI晶片效能提升，產生的熱能已超過傳統「氣冷」所能負荷的極限（紅虛線處），因此產業界正積極轉向液冷技術，以應對未來每平方公分超過200W甚至400W的極端發熱環境。
圖一 CPU/GPU（a）發熱趨勢；（b）發熱密度趨勢
散熱不良導致資料中心過熱問題對硬體與營運帶來以下的嚴重後果：①硬體損壞（Hardware Damage）：高溫會導致電子元件物理性毀損；②效能下降（Performance Slowdown）：系統為了降溫通常會自動降頻，導致運算速度變慢；③系統停機與資料遺失（System Outages and Data Loss）：嚴重過熱可能導致系統無預警崩潰；④縮短設備壽命（Reduced Equipment Lifespan）：長期處於高溫環境會加速硬體老化；⑤火災風險（Fire Risk）：極端高溫是引起火災的主要誘因；⑥停機與財務損失（Downtime and Financial Loss）：服務中斷將帶來巨大的經濟賠償或營收損失。隨著AI運算叢集規模爆發式增長且耗電量劇增，熱管理（Thermal Management）已經不再只是維護問題，而是關乎營運安全的核心挑戰。
液冷市場需求及挑戰
由圖二「全球液冷市場需求」，詳細預測了從2022年至2035年液冷技術在資料中心領域的市場規模與成長情境。由總可用市場（Total Addressable Market; TAM）來看，資料中心整體年複合成長率（CAGR）為7.5%，預計2035年TAM突破800~850億美元。2022年預測2035年市場規模僅約400億美元。2025年新預測2035年快速爬升接近700億美元。由成長情境分析來看，PMS2的中高成長預計達750億美元，PMS3的保守樂觀預估也達500億美元。TAM（紅色線）展現最大市場潛力。2024年起因高功耗晶片大量出貨，液冷需求進入爆發期。
圖三 液冷技術市占率趨勢預測
圖三是「液冷技術市占率趨勢預測」，透過2023年至2030年的堆疊面積圖，展示了氣冷、冷板、複合式與浸沒式四種技術在資料中心市場的結構性消長。2023年氣冷（Air Cooling）占比接近90%，2030年退居非主流，僅用於低密度或舊設備，占比萎縮至20%~30%；冷板式（Cold Plate）則躍居市場主流（> 50%），2024年起噴發，為目前NVIDIA GB200等AI伺服器最成熟的商業化主流方案。浸沒式（Immersion）預估成長較晚（~20%），2028年預計為技術轉折點，2030年後成為應對高密度運算的核心解法。此外，複合式（浸沒+冷板）技術由於包含兩種技術優勢，預計由2026年起成長，在2030年達到顯著占有率。整體而言，2024~2025年為液冷大規模商業普及期；預計至2030年，整體液冷將占據市場70%~80%，冷板與浸沒式產品將成為散熱廠商未來5~10年的獲利核心。
隨著AI晶片運算密度暴增，傳統單相液冷（Single-Phase DLC）的物理邊界逐漸被推至極限。單相液冷主要依靠冷卻液（如水/乙二醇混合液）的顯熱（Sensible Heat）吸收熱量，但在面對突破1,000W~1,500W晶片功耗及高熱通量的下一代晶片時，已面臨嚴峻的物理瓶頸：若要帶走更多熱量，必須大幅提高流體流量，但流體壓降與流量平方成正比，將 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》479期，更多資料請見下方附檔。