電子行業(yè)專題研究：液冷服務器核心部件國產有望導入海外供應鏈

行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明液冷服務器核心部件，國產有望導入海外供應鏈設備元件運行時會導致溫度顯著上升，為了確保運行的安全穩(wěn)定，廠商們需要采取旨在為數據中心的液冷系統(tǒng)提供無泄漏的快速連接解決方案。應用領域主要有數據場規(guī)模將從2022年的超20億美要使用2對液冷快接頭，萬創(chuàng)研究測算亞太地區(qū)所占市場份額相對較少。在主要參與者方面，目前快速接頭主要參與者集風險提示：液冷滲透率提升不及預期、國產廠商證券研究報告投資評級行業(yè)評級上次評級作者潘暕分析師SAC執(zhí)業(yè)證書編號：S1110517070005panjian@許俊峰分析師SAC執(zhí)業(yè)證書編號：S1110520110003xujunfeng@行業(yè)走勢圖電子滬深300wr12% 7% 2% -3% -8%-13%-18%-23%wr資料來源：貝格數據相關報告相關報告1《電子-行業(yè)投資策略:電子行業(yè)首席2《電子-行業(yè)深度研究:人形機器人元年或將開啟，AI下游硬件應用迭起》3《電子-行業(yè)點評:三星顯示或本周開始生產用于蘋果iPadOLED的LTPO行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明內容目錄1.UQD在數據中心的應用 41.1.液冷系統(tǒng)成為數據中心新選擇 41.2.冷板式液冷為最主流方案 51.3.UQD在液冷系統(tǒng)中的應用 51.3.1.UQD液冷快接頭介紹 51.3.2.UQD在液冷系統(tǒng)中的作用 51.4.應用優(yōu)勢 62.液冷連接器應用設計 72.1.設計要求 72.1.1.額定值要求 72.1.2.鎖緊方式要求 72.1.3.密封形式應用 72.1.4.材質外觀要求 82.2.液冷接頭應用具體場景 82.2.1.板級芯片散熱應用，液冷冷板散熱為主流 92.2.2.機架級液冷散熱，數據中心IT設備布置單位 102.2.3.UQD快接頭規(guī)格豐富，應用場景多 103.市場概況 114.投資建議 125.風險提示 13圖表目錄圖1：中國數據中心在用機架數量及增長情況 4圖2：在不同環(huán)境溫度、空閑和壓力測試條件下，液冷和風冷0E服務器板條的CPU溫度比較 4圖3：UQD結構示意圖 5圖4：UQD推鎖式-倒鉤型軟管連接 6圖5：快插接頭尺寸要求 7圖6：UQD具體應用材質 8圖7：UQD不同部位安裝接口要求 8圖8：液冷冷板剖面圖 9圖9：液冷冷板與進出水接頭示意圖 10圖10：機架與UQD 10圖11：機架級液冷系統(tǒng)示意圖 10圖12：UQD四種規(guī)格連通壓力對比 11圖13：UQD四種規(guī)格流速對比 11圖14：2022-2027中國液冷服務器市場規(guī)模與同比增速 12請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明3圖15：IDC液冷領域連接器產品市場空間測算 12表1：UQD技術及功能 6表2：液冷連接器應用的額定值要求 7表3：UQD手插、盲插規(guī)格對比 11表4：國內外主流UQD廠商一覽 13行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明41.UQD在數據中心的應用1.1.液冷系統(tǒng)成為數據中心新選擇隨著AI等技術的大規(guī)模發(fā)展，風冷將會無法滿足大規(guī)模降溫需求，液冷成為數據中心新的選擇。隨著要儲存的數據量的快速增長，用于收集數據的數據中心數量也同步增長。數據中心的設備元件運行時會導致溫度顯著上升，為了確保運行的安全穩(wěn)定，廠商需要采取一些降溫措施。圖1：中國數據中心在用機架數量及增長情況資料來源：中國智算中心現狀及液冷技術應用展望——呂天文張藍心、天風證券研究所相比于風冷系統(tǒng)，液冷系統(tǒng)已成為更加有效的措施，原因有以下幾點：一是散熱效率高，液體的導熱能力是空氣的15～25倍，相比之下空氣往往需要更長的時間來散發(fā)熱量；二是低噪聲，采用液冷方式不會產生空氣流動所帶來的噪聲，使數據中心更加安靜；三是靈活性強，液冷的設備體積較小，占用的空間也少，提升數據中心靈活性；四是穩(wěn)定性強，能夠更快速、有效地將芯片產生的大量熱量傳導到冷卻系統(tǒng)，降低芯片溫度，減少因溫度過高導致的故障，保持芯片工作穩(wěn)定。目前數據中心溫控仍以風冷為主，但隨著AI的大規(guī)模發(fā)展，帶動算力需求提升，芯片和服務器功率逐步升級，將超出風冷散熱能力范疇。液冷則為冷卻需求帶來了新選擇。圖2：在不同環(huán)境溫度、空閑和壓力測試條件下，液冷和風冷0E服務器板條的CPU溫度比較資料來源：LucasD.R.Ferreira,Nokia等《WHITEPAPER:OPENEDGESE行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明液冷技術成本較之前大幅降低。在成本方面，之前市場普遍認為液冷數據中心初期投入和運營成本較高，但伴隨液冷技術的發(fā)展以及算力需求的激增，形勢發(fā)生了變化。一方面，冷板液冷數據中心初始建設成本已經低于風冷數據中心；另一方面，浸沒式液冷雖前期投入較高，但每年可以大幅降低運營成本(主要為電費)，迅速回收投資，數據表明，浸沒式液冷數據中心運行4.5年后，TCO將出現拐點并且低于風冷數據中心。1.2.冷板式液冷為最主流方案多個數據中心已采用液冷系統(tǒng)。液冷系統(tǒng)分為三種形式：冷板式、浸沒式、噴淋式。目前冷板式液冷是最主流的液冷方案，IDC發(fā)布報告稱，2023全年中國液冷服務器市場規(guī)模達到15.5億美元，其中95%以上均采用冷板式液冷解決方案。冷板式液冷的技術原理即利用工作流體作為中間熱量傳輸的媒介，將熱量由熱區(qū)傳遞到遠端后再進行冷卻。其系統(tǒng)主要由換熱冷板、熱交換單元和循環(huán)管路、冷源等部件構成。百度陽泉數據中心、北京大學“未名一號”、萊布尼茲超算中心均采用冷板式液冷。除此之外，阿里巴巴張北數據中心、阿里巴巴仁和數據中心、烏鎮(zhèn)超算數據中心則采用了浸沒式液冷系統(tǒng)；雄安液冷示范應用測試數據中心采用了噴淋式液冷系統(tǒng)。1.3.UQD在液冷系統(tǒng)中的應用1.3.1.UQD液冷快接頭介紹UQD（UniversalQuickDisconnect）是一種通用快速接頭，主要用于液冷系統(tǒng)中，特別是在數據中心和超級計算機的熱管理應用中。UQD是一種全球標準，用于快速斷開的耦合器，開發(fā)于OCP（開放計算項目）。它是英特爾倡議的一種開放標準，旨在為數據中心的液冷系統(tǒng)提供無泄漏的快速連接解決方案。應用領域主要有數據中心、超級計算機等。液冷連接器的核心參數是通徑和最大工作壓力，直接關系到液冷系統(tǒng)的安全性。通徑決定了連接器能夠通過的液體流量大小。最大工作壓力是液冷連接器能夠承受的最大壓力，這對于保證液冷系統(tǒng)的安全運行至關重要。超過這個壓力，連接器可能會發(fā)生泄漏或損壞，從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。資料來源：藍海大腦公司官網、天風證券研究所1.3.2.UQD在液冷系統(tǒng)中的作用UQD應用于液冷系統(tǒng)以方便回路斷開，防止冷卻液泄漏。液冷系統(tǒng)由盡可能靠近電子元行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明件的冷卻液循環(huán)回路組成熱交換系統(tǒng)。但這也意味著電子元件靠近水，一旦液體泄漏會造成安全事故。因此在對冷卻回路進行操作時就需要大量的UQD來方便回路的斷開以保證表1：UQD技術及功能技術功能設計優(yōu)化了流量和壓降，確保在高密度系統(tǒng)中也直觀的視覺標記具有藍色和紅色的回路可視標記，讓操作者能夠輕松識別輸入和輸出回路自動連接方式自動連接裝置便于產品能集成于資料來源：史陶比爾公司官網、史陶比爾STAUBLI公眾號、天風證券研究所1.4.應用優(yōu)勢UQD液冷快接頭的無滴漏技術主要通過以下幾個方面實現，并且與傳統(tǒng)接頭相比具有顯著推鎖式軟管和軟管倒鉤：UQD標準中規(guī)定的軟管連接為推鎖式軟管-倒鉤型。使用推鎖式軟管，無需套箍或軟管夾即可實現快速、可靠和無泄漏的連接。軟管倒鉤經專門設計，只需將軟管推到倒鉤上即可鎖定軟管，塑料止動環(huán)確保軟管正確安裝在軟管倒鉤上，以實現安全無泄漏的連接。圖4：UQD推鎖式-倒鉤型軟管連接資料來源：CEJN公司官網、天風證券研究所安全無泄漏連接：UQD接頭能夠提供安全、可靠的連接，最大限度降低連接時的空氣侵擾，有效防止液體泄漏。熱插拔功能：UQD接頭支持熱插拔，這意味著可以在承壓情況下進行連接或斷開操作。行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明7優(yōu)化的流速和壓降：保證了最大的流量和最小的壓降損失。快速連接器可以實現快速維護，并節(jié)省能源。通過減少壓降，回路需要的壓力更小，從而將冷卻所需的能源降至最低。防污染技術：用平頭防污染設計，在保證完美密封的同時，還能保證操作員和設備的安全。在連接過程中，不會有雜質進入回路，在斷開過程中，也不會對工作環(huán)境造成污染。2.液冷連接器應用設計2.1.設計要求2.1.1.額定值要求對于快插接頭的要求如下：1）流體快插接頭位于擋片側，進水口位于出水口上方?？觳褰宇^和冷板連接的地方，需要做凸臺，凸臺高度與機箱后窗結構相關，宜高度不小于3mm，以方便密封和在服務器側的插拔；2）兩個快插接頭公頭中心點之間距離大于等于24mm，以滿足快插接頭母頭能支持正常的插拔操作，且無結構干涉；3）加速卡快插接頭母頭最大直19.5mm，宜小于18mm，以滿足兩張相鄰的加速卡之間快插接頭正常的插拔操作；4）進水口快插接頭中心點距離擋片最上方距離大于等于50mm，以避免加速卡插入后擋片和板卡結構干涉，確?？旒铀倏ú褰宇^可以從服務器后窗推出；5）快插接頭的外徑需要小于機箱后窗開口的寬度，最大不超過12.06mm；6）快插接頭的左邊緣距離擋片右邊緣應小于等于15.23mm。流體快插接頭選型主要考慮結構兼容性，需要保證在加速板卡側面正常連接冷板和封裝，同時組裝在服務器上不發(fā)生結構干涉。圖5：快插接頭尺寸要求資料來源：基于標準PCIe接口的人工智能加速卡液冷設計白皮書、天風證券研究所服務器系統(tǒng)設計宜有漏液檢測裝置（例如采用漏液感應線每個業(yè)務單板提供一個監(jiān)控連接器接口(服務器系統(tǒng)來定義)，檢測范圍覆蓋冷板易泄漏點，比如：焊接部位，管鏈接表2：液冷連接器應用的額定值要求額定值選用原則Kv值越大代表快速接頭相同流量下的壓降資料來源：中航光電——液冷連接器的應用與技術發(fā)展探討、天風證券研究所2.1.2.鎖緊方式要求液冷連接器鎖緊方式有：1）卡扣鎖緊；2）鋼珠鎖緊；3）螺紋鎖緊；4）按壓式；5）無鎖緊。在應用中，更推薦的是鋼珠鎖緊，它和鎖緊槽結構重新設計，使得結構更加緊湊，通過推拉實現鎖緊與斷開。其優(yōu)點是操作簡單，但其不適用于高振動沖擊環(huán)境，滿足地面、車載的場景要求。2.1.3.密封形式應用行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明8UQD液冷快接頭推薦應用球面密封和平面密封的形式。球面密封性能較優(yōu)，適用于主回路。平面密封提供了較強的密封性，使液體難以泄漏，同時使空氣難以進入，其性能最優(yōu)也提供了更強的安全性。2.1.4.材質外觀要求冷板基板和流道宜采用銅或鋁合金材質，一個系統(tǒng)中冷卻工質直接接觸的部件不應有兩種電極電位差較大的金屬；冷卻工質的選用應考慮與二次側循環(huán)回路中所有直接接觸的固體表面材質間的相容性；資料來源：中航光電——液冷連接器的應用與技術發(fā)展探討、天風證券研究所冷板外觀要求：冷板冷板散熱蓋板應光滑，不應變形，散熱基板底部表面不應有裂紋，劃痕，變形、污點等缺陷；冷板散熱基板散熱面形狀宜為方形或八邊形；固定模塊表面銳邊倒鈍，無毛刺，外表面無劃痕、臟污，明顯色差和花斑、裂縫、變形等缺陷，涂覆層無起泡、堆積、龜裂和脫落現象。在不同的安裝部位上，有不同的安裝接口要求，如圖7。資料來源：中航光電——液冷連接器的應用與技術發(fā)展探討、天風證券研究所2.2.液冷接頭應用具體場景UQD技術在液冷中扮演關鍵角色，是板級散熱與機架級散熱的連接紐帶。以冷板式液冷為例，服務器芯片產生的熱量首先傳遞到冷板，熱量再通過UQD被輸送至manifold，最終由manifold排出機架，實現高效的熱管理。在數據中心的液冷系統(tǒng)中，manifold（集分水器）指一個分配或收集流體的管道系統(tǒng)，通常用作冷卻液的分配器，將冷卻液均勻地分配到各個服務器組件上，以實現高效的熱交換。UQD作為液冷系統(tǒng)中的進/出液接頭標準，實現了冷板模組和液冷機柜集分水器之間的水路連接。UQD技術標準確保了液冷接頭的密封性和可靠性，有助于克服該元件一直以來防止泄漏方面的技術挑戰(zhàn)。行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明9UQD與服務器2:1對應，需求或隨服務器出貨增加而增加。manifold與服務器通常成對存在，分公頭、母頭使用。每臺服務器配備一對UQD母頭，需與manifold上的一對UQD公頭進行耦合，因此UQD與服務器存在2:1數量關系。未來伴隨高功率服務器出貨量不斷增加，UQD需求有望持續(xù)擴大。2.2.1.板級芯片散熱應用，液冷冷板散熱為主流數據中心散熱以板級為最小單位，核心是液冷冷板。液冷散熱分冷板式散熱和浸入式散熱兩種，目前基于成本考慮，以冷板式為主。液冷冷板由進液接頭、出液接頭、上蓋板與底腔體內部又分為分液腔和導流槽，確保液體流動得到精確節(jié)流控制。液冷冷板的進液、出液接頭與外界，即manifold連接，將服務器芯片產生的熱量從冷板中導出。資料來源：數據中心的高效液冷散熱系統(tǒng)設計——崔康吉余亮、天風證券研究所UQD快速接頭作為冷板關鍵組件，其設計和性能直接影響系統(tǒng)散熱效率和可靠性。液冷計算型服務器的快速接頭采用UQD04型號母頭，與機柜和集分水器Manifold的UQD04公頭兼容，實現緊密耦合。接頭在投產前需經過5000次插拔循環(huán)測試和0℃至80℃高低溫運行驗證，以確保穩(wěn)定性。液冷水管以顏色區(qū)分，進液冷水為藍色，出液熱水為紅色。行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明資料來源：基于標準PCle接口的人工智能加速卡液冷設計白皮書、天風證券研究所2.2.2.機架級液冷散熱，數據中心IT設備布置單位機架是數據中心服務器布置的單位，進一步熱管理板級散熱傳出的熱量。在板級散熱層面，單個IT設備的熱量被帶出；而在機架散熱層面，熱量被匯集并傳遞到室外。機架級液冷散熱系統(tǒng)的主要組成部分包括進出水manifold、監(jiān)控單元、溫度傳感器、電磁閥與單向閥等，如圖所示。進出水manifold對外連接到機房級的液冷分配單元，對內通過快接頭連接到液冷冷板的進液接頭與出液接頭。由此，系統(tǒng)熱量通過manifold傳遞到機架外側。資料來源：Danfoss、天風證券研究所資料來源：數據中心的高效液冷散熱系統(tǒng)設計——崔康吉余亮、天風證券研究所UQD標準高規(guī)格、技術要求，有助于解決冷板散熱系統(tǒng)泄漏難點。液冷快速插頭由于其快速連接、斷開的需求特性，泄露風險較大，因此需要高標準、高規(guī)格的UQD加以規(guī)范。對于快速插拔接頭，要進行有效插拔次數與長期可靠性驗證。電路板或電子部件往往有灰塵顆粒雜志，去離子水一旦接觸電路板會造成短路，這也是液冷散熱在實施中遇到的最大阻力與疑惑。在安裝應用環(huán)節(jié)，雜質顆?？赡茉斐煽旖宇^堵塞，因此需確保二次管路在安裝之前沖洗干凈。2.2.3.UQD快接頭規(guī)格豐富，應用場景多液冷快接頭分為手插和盲插兩種形態(tài)，適用多樣場景需求。UQD即通用快速接頭屬于手插接頭，對運維人員的要求較高，插拔操作依賴機房運維人員，服務器和機柜易于解耦。行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明UQDB是UQD的盲插版本，具備自動化保障，操作方便，連接精度高，可滿足未來自動巡檢、機器人運維需求，但服務器和機柜解耦難度大。盲插式采用分噴射結構設計，節(jié)點拔出遮住快插接頭，節(jié)點插入露出快插接頭，實現即插即通，即拔即斷，漏液防噴射。此外，史陶比爾的位移容差技術在更大的誤差范圍內確保了盲插的穩(wěn)定和安全。表3：UQD手插、盲插規(guī)格對比技術規(guī)格插拔類型特性資料來源：史陶比爾STAUBLI官網、開放數據中心委員會ODCC等、天風證券研究所UQD通徑越小，壓降越小，流速越慢，性能越優(yōu)。UQD按照其通徑大小有不同的型號，包括UQD02、UQD04、UQD06和UQD08。根據Danfoss報告，其UQD08產品通徑最大，在相同壓強下連通需要的力最大，且該力隨通徑遞減。流速上，相同壓強下，UQD08的流速最高，也隨通徑遞減。資料來源：Danfoss、天風證券研究所資料來源：Danfoss、天風證券研究所3.市場概況根據IDC，2027年我國液冷服務器市場規(guī)模預計將達682億元；2022年到2027年，年復合增長率為56.6%。市場調研公司GlobalMarketInsights預測，全球數據中心液體冷卻市場規(guī)模將從2022年的超20億美元增長到2032年的超120億美元。行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明資料來源：IDC、深圳市電子商會、天風證券研究所據萬創(chuàng)投行測算，假設2023年-2025年數據中心機架數量增速超20%，對應服務器數量為：2472萬臺、2967萬臺、3560萬臺；每臺服務器需要使用2對液冷快接頭，2023年-2025年液冷快接頭單價分別為480元/對、450元/對、400元/對（參考正北連接產品定價）。據此假設，IDC液冷連接器市場規(guī)模如下圖。圖15：IDC液冷領域連接器產品市場空間測算資料來源：萬創(chuàng)投行公眾號、天風證券研究所4.投資建議在地域分布方面，根據CognitiveMarketResearch，目前北美占據快速接頭市場主要份額，歐洲其次，亞太地區(qū)所占市場份額相對較少。在主要參與者方面，目前快速接頭主要參與者集中在歐美（Parker、Eaton、Staubli、Festo等國內中航光電（軍工電子聯合覆蓋）為首的企業(yè)已經突破海外壟斷。由于液冷服務器滲透率快速提升，關鍵部件UQD短期內缺貨，看好國產UQD快接頭快速起量。根據電子發(fā)燒網的報道，UQD廠商大多有專利保護，并且需要獲得層層認證，包括CPO認證以及客戶端的認證，這些都需要時間，但是當前歐美廠商并無意愿擴產，導致液冷快速發(fā)展過程中，UQD產量成為主要瓶頸。據Digtimes消息，液冷AI服務器，由行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明于UQD供貨緊張，開始陷入出貨瓶頸，比如英偉達的BlackwellGB200服務器可能要到2024年底或2025年才會開始量產。有服務器的ODM企業(yè)透露，當前液冷滲透率在持續(xù)提升，并且伴隨著英偉達Blackwell系列芯片出貨量的增加，市場采用液冷的意愿也將提升。AI服務器出貨大幅增長，帶動了服務器內部的各大組件同步增長，比如存儲。甚至液冷AI服務器中的UQD快換接頭也一度缺貨，因短期內產能有限，漲價預期比較濃烈，單價從40美元暴漲至60美元，甚至出現漫天要價的情況。從標準來看，目前國內的接頭統(tǒng)一標準，而海外則主要為OCP標準。此外除了標準認證，還需要廠商驗證，這都需要漫長的時間。按照服務器企業(yè)采購的慣例，即便有了統(tǒng)一認證的情況下，各采購方在根據自身情況認證后，采購液冷接頭也傾向于統(tǒng)一廠商，少有采用多個廠商的接頭情況。因此，隨著國外廠商產能緊缺，或將給予國內相關廠商重要的窗口期，甚至一舉突破海外供應鏈，打入全球服務器市場當中。有望在短期內顯著提升其盈利能力，更重要的是，對于能夠迅速響應市場變化并提供高質量UQD產品的國內企業(yè)而言，此次UQD的緊缺將可能成為其提升在市場中地位的契機。在當下缺貨階段，國產UQD供應商有望導入海外供應鏈，有望實現超預期進展。國產供應商重點推薦工業(yè)富聯、中航光電（軍工電子聯合覆蓋建議關注永貴電器。表4：國內外主流UQD廠商一覽廠商名國家資料來源：每日經濟新聞、萬創(chuàng)投行公眾號、立敏達科技公眾號、各公司官網、天風證券研究所5.風險提示液冷滲透率提升不及預期。液冷技術或增加數據中心基礎設施的復雜性，需嚴格的水質控制和預防泄漏措施，由此導致的管理成本上升或影響滲透率。國產廠商導入不及預期。截至2023年9月，國內只有正北連接和中航光電兩家有大規(guī)模量產經驗，其他標的量產能力待市場驗證。競爭加劇導致價格下降。供應端主要廠商不斷競爭，未來存在價格下降可能。行業(yè)報告|行業(yè)專題研究請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明