智算中心基础设施演进白皮书

智算中心演进分析

• 智能算力发展概述： 随着数字经济发展，数据量爆炸式增长，对算力需求达到前所未有的高度。算力可分为通用算力、超算算力和智能算力，本白皮书重点讨论通用算力中心（传统数据中心）向人工智能（AI）算力中心（智算中心）的演进。
• 智算芯片结构演进： 智算算力采用芯片异构计算架构，结合CPU、GPU、NPU、TPU等芯片，形成高并发的分布式计算系统，而传统数据中心主要采用CPU为算力核心的架构。
• 智算用户侧诉求演进： 智算中心用户更注重数据的智能处理和应用，使用GPU专用芯片，软件上注重高效分配计算任务，管理和运维上要求自动化程度更高。
• 机柜功耗高密度化演进： 智算训练需要建立高度集中化的GPU集群，GPU芯片功耗不断提升，导致单机柜功率密度大幅提升，从传统数据中心的4-6kW提升至智算中心的20-40kW，未来甚至更高。
• 静态负载向动态负载演进： 智算中心负载运行特点是周期性、大幅度、并发性、瞬时冲击等动态负载特性，对配电和制冷都是很大的挑战。

智算中心选址与规划

• 智算中心选址： 优先考虑靠近核心城市或其周边区域，以及新能源资源丰富、能源利用条件良好、网络资源良好的地区。
• 智算中心建筑形式： 优先选用多层建筑，以满足网络带宽、抖动、可用性、高吞吐、低时延数据访问的高标准要求。
• 智算中心建筑布局： 优化建筑布局，提高智算中心算力和算效，例如采用大平层建筑形式。
• 智算中心房间功能需求： 更注重功率密度、制冷需求、配电支持、网络配置、物理隔离和多功能需求。
• 已有建筑改造为智算中心： 需要根据业务系统的规模、现有土地、建筑条件、交付周期及商务条件等因素采取相应策略，例如加固和扩建以满足智算中心承重的要求。

智算中心电气链路架构挑战及演进趋势

• 智算中心电气链路的挑战： 包括电力能源接入挑战、配电与IT机房面积比挑战、电能利用率挑战、能源利用效率（PUE）挑战、服务器电源形式挑战、智算负载分级供电的挑战、末端配电方式挑战、负载动态冲击挑战、环境温度突变挑战。
• 智算中心供配电系统的演进趋势—“智算电能管理链”：
  • 电力能源系统向“算电协同”演进，例如采用新能源就近供电、聚合交易、就地消纳的“绿电聚合”模式。
  • 简化供电系统架构演进，例如采用DR/RR/N+1简化架构。
  • 智算负载分级供电演进，例如训练业务负载属于可间断负载，不需要不间断供电。
  • 预制电力模组演进，例如将中压柜、变压器、UPS、高压直流（HVDC）、馈电等预制集成交付。
  • UPS向MW级，超高效及高密化演进。
  • 锂进铅退/储备一体演进，例如锂电池替代铅酸电池和一体化电源方案。
  • 末端电压等级提升及全直流系统演进，例如向10kV交流转低压直流的全直流供电模式演进。
  • SST的前沿应用探索，例如固态变压器（SST）在基于直流电网区域架构中适用于微电网的直流用电场景。
  • 包间白地板交付方式的演进，例如在没有明确GPU芯片型号的情况下，采用包间白地板交付的方式。
  • 融合末端配电方式的演进，例如采用智能母线系统。
• 新能源、储能在智算中心的应用分析：
  • 新能源在智算中心应用是必然趋势，例如采用新能源就近供电、聚合交易、就地消纳的“绿电聚合”模式。
  • 新能源发电在智算中心消纳仍面临诸多挑战，例如随机性、波动性和低能量密度的特性限制其稳定供电能力。
  • 储能系统在智算中心应用的多重价值，例如提供额外的备用电源，替代一部分不间断电源UPS备电设备，发挥额外的经济收益。

智算中心制冷系统架构

• 制冷技术发展趋势： 智算中心呈现加速高密化的趋势，房间级风冷空调远端送风型的散热能力上限为单机柜25kW，当单机柜功耗超过25kW时，可采用列间空调、背板式风冷、薄板风墙等近端送风或冷板液冷技术。
• 制冷系统架构的分类及方案：
  • 芯片侧：风冷芯片解热上限为TDP＜1000W，单相冷板液冷芯片解热上限为TDP < 2000W，TDP超过2000W需采用相变液冷。
  • 机柜侧/末端空调侧（风冷技术）：包括风冷中密度、风冷低密度、风冷高密度、风冷极高密度等应用场景。
  • 机柜侧/末端空调侧（液冷技术）：包括液冷全密度应用场景，例如边缘计算场景、企业级应用场景、人工智能（AI）大规模集群场景、改造场景。
  • 冷源侧：包括风冷冷源和液冷冷源。
• 制冷技术应用评估： 从技术可靠性、运行能效、初投资、出柜率、占地空间、噪声程度、柔性调节以及对建筑条件要求等方面对各类技术进行对比评估。
• 智算中心制冷应对策略： 提高制冷系统的响应速度，例如采用高精度传感器、人工智能（AI）预测性控制技术；采用连续制冷；采用定制化制冷解决方案。

智算中心预制模块化技术的应用分析

• 智算中心预制模块化技术发展趋势： 预制模块化技术是智算中心行业发展的核心趋势之一，例如预制模块化高效机房和模块化液冷外部冷源模块。
• 电气预制模块化趋势： 预制化供配电电力模组将中压柜、变压器、UPS、高压直流（HVDC）、制冷、馈电等预制集成交付。
• 制冷预制模块化趋势： 智算中心预制模块化解决方案是一个结合基础设施、服务和软件的解决方案组合，通过优化电气系统与制冷系统之间的协同工作来达到目的。
• 预制模块化技术的应用与挑战： 采用预制模块化技术有助于减少施工现场的噪音、污染和能耗，提高资源利用效率，降低对环境的影响；但预制模块化技术发展的最大挑战是缺乏统一的行业标准。

总结与展望

• 智算中心快速扩张及迭代带来的能耗、环境等问题，势必会迎来相比通算中心更为严格的行业监管及地区限制，因此，未来智算中心的建设需要从多维度支持其可持续发展。
• 未来技术和设计方法展望：智算中心需要更适合的标准来指导产业健康有序发展，例如出现新的R3+提法，即液冷R4而电气R3；DR/RR/N+1配电架构上升；核电等新能源广泛应用；算电协同：绿电聚合；母线（Busbar）作为末端配电的首选。