高性能计算(HPC)系统被广泛用于执行各类需要密集算力的任务，例如气候模拟、计算流体力学(CFD)、核仿真、基因组学、金融服务等领域。

这类计算通常基于并行架构，可实现高速数据处理与传输，力求以最快、最可靠的方式获得目标结果。如今的 HPC 系统采用 48V 直流供电母线，搭载大量高性能 GPU 和 CPU，其热设计功耗(TDP)最高可达 1000W。

这些处理器严苛的散热需求，要求采用能突破风冷等传统散热技术局限的先进冷却系统，芯片直连(Direct‑to‑Chip, DTC)液冷便是其中之一，它隶属于更广泛的直接液冷(DLC) 解决方案体系。

为何选择 DTC 液冷?

新一代 CPU 与 GPU 所达到的功率密度会产生巨大热量，传统风冷系统通常只能应对单芯片 250–300W 的热负荷，已无法有效处理。

当 TDP 超过该区间，风冷效率会显著下降，要么需要体积大、转速高的风扇(噪音极大)，要么会让芯片进入热节流状态，因过热导致性能下降。

除热管理外，还必须考虑能效。包含制冷基础设施、风扇与空调在内的传统风冷系统，会消耗 HPC 数据中心总功耗的相当一部分。可持续发展目标与能源法规要求尽可能减少能源浪费，提升系统整体效率。

图1

DTC 散热技术旨在克服风冷方案的局限，利用液体高热导率、低电导率的物理特性：

高热导率使 DTC 能比空气带走更多热量;

低电导率则确保冷却液万一发生泄漏，也不会出现短路或放电风险。

冷却液通常采用去离子水，也可选用 PG25 等专用冷却液。例如，Kixx 开发的 DLC 冷却液含有丙二醇(一种无毒、人体友好的成分，广泛用于化妆品)，并搭配有机酸技术(OAT)添加剂，提供优异的防腐蚀保护。

DTC 液冷架构

DTC 技术的核心原理是：通过专门设计的冷板(cold plate)，让冷却液与 GPU、CPU、内存模组、稳压器等高发热电子元件直接接触散热。

冷板一般由铜或铝加工而成，内部设有流道，冷却液在其中强制流动。流道常采用微结构、翅片或沟槽设计，以最大化液体覆盖面积并形成湍流，提升换热效率。

冷板通过 ** 热界面材料(TIM)** 直接贴装在芯片封装上，填充微观间隙并保证最优导热性能。冷却液在封闭回路中循环，包括：冷板、服务器机箱上的分配歧管、连接单台服务器与机柜基础设施的软管，以及热交换器 —— 在热交换器中，吸收的热量被转移到机房水冷系统或直接排到外部环境。

系统通过泵将温度与流量精确控制的冷却液输送至冷板。冷却液流经流道并与热源直接接触时吸收热量、温度升高;随后流入热交换器，将热量传递给冷却塔、废热回收系统等二次回路。

图 2 为典型 DTC 系统框图：蓝色代表冷却液进入冷板前的路径，红色代表高温液体流向散热系统的路径。

图2

整个循环过程中，专用传感器实时监测温度、压力与流量，保证系统最优运行，并在冷却液泄漏、泵体堵塞等故障时发出报警。

图 3 展示了一套完整的 DTC 实施方案，可见带泄漏检测的冷板结构、冷却液分配单元(CDU)以及冷却液输送管路。其中干式快插接头可在安装或维护时断开，并自动止漏。

图3

值得一提的还有后门热交换器(RDHx)，其工作原理如图 4 所示，可看作是引入 DTC 等更先进液冷系统的过渡方案。它在机柜后门上将传统风冷(风扇)与液冷系统结合。

尽管这种方案比完整 DTC 改造的侵入性更低，但无法满足 HPC 等高功率密度场景的散热性能要求，且仍需要服务器内部强气流，削弱了能效收益。

图4

DTC 的核心优势

传统风冷可有效管理约 20kW 的机柜功率密度，而 DTC 技术可轻松适配50–100kW的更高功率密度。同时，DTC 功耗低于风冷，可显著提升能效。

由于不使用风扇，DTC 比风冷噪音更低，也不会产生长期可能影响机械可靠性的振动。此外，取消风扇与散热器可减小散热系统体积，让设计者在相同空间内部署更多处理器。

单相与两相 DTC

图 2 所示的 DTC 方案也称为单相 DTC，是最简单、成本最低、应用最广的 DTC 形式。但其局限在于需要配备泄漏监测系统与冗余泵，以防冷却液流动中断。

在此基础上发展出两相 DTC，其工作原理不同：采用绝缘流体直接与 GPU、CPU 等最热部件接触。流体吸热后沸腾汽化，比风冷与单相 DTC 更高效地带走热量，蒸汽随后通过冷凝重新变为液体。

这是一个无需外部动力的被动循环，持续散热。两相 DTC 吸热能力更强，更适合高密度 HPC 系统;由于无需泵，可靠性也更高。与基础单相方案相比，其主要缺点是成本更高、设计更复杂。

行业应用

DTC 冷却技术的主要应用场景集中在 HPC 领域。

目前全球算力最强的超级计算机 —— 美国橡树岭国家实验室(ORNL)的Frontier，便采用 DTC 系统为高性能处理器与加速卡散热。它配备 25 套 1.6MW 冷却液分配单元(CDU)，每套为 3 个机柜提供 DTC 冷却。

类似地，芬兰的LUMI等欧洲超算也采用 DTC 以提升能效、降低碳足迹。LUMI 的 DTC 系统尤为创新：冷却液回收的热量不直接排向空气，而是通过专用热泵为当地卡亚尼市提供区域供暖，减少了对化石燃料的依赖并降低 CO₂排放。