AIDC电源系列一：探讨HVDC及超级电容的增量创新

功率密度为当前AI产业的核心矛盾之一。从北美四大云厂商对资本开支最新的反馈来看，算力需求持续旺盛，而电力系统为算力Capex的重要一环，根据SemiAnalysis，2023-2028年温控+电力系统市场空间增长约400%，为数据中心建设增量最大的环节。伴随摩尔定律放缓，制程升级迭代延后，功耗墙成为挡在高算力需求前面的拦路虎，数据中心建设也必将不断向液冷+电源倾斜。 典型的AIDC电气设备结构可细分为三级供电及三级备电，三级供电主要包括 1）UPS/HVDC；2)ACDC；3）DCDC。三级备电主要包括1）超级电容；2）UPS蓄电池；3）柴油发电机。 从UPS到HVDC，数据中心供电效率变革。在传统数据中心中，UPS配电方案占据主流地位，国内主流HVDC方案为240V/336V输出电压。然而AIDC带动数据中心能耗和稳定性要求不断提升，国内外主流厂商纷纷推出下一代HVDC方案，电压进一步提升。百度2024年推出的“瀚海”直流电源配备了750V输出柜，台达最新推出的10kV供电系统DPSST系列最高输出电压更是达到1000V，海外主流互联网及AI芯片公司也纷纷推出下一代HVDC方案。相较于传统的UPS配电，下一代HVDC系统具有效率更高、可靠性更好、成本更低、占地面积更小的优势。未来，AI芯片功耗提升和超大算力集群扩张，数据中心高功率密度、高效能趋势日渐清晰，HVDC系统预计将向高集成度、高电压输出、碳化硅MOSFET应用、清洁能源方向演进，HVDC有望逐步成为数据中心主要供电方案。从供应商格局来看，台达、维谛、中恒电气、中达中通等厂商为目前HVDC主流供应商，禾望电气等厂商则有望凭借海外大厂的配套关系，在下一代HVDC市场中获取重要份额。 超级电容为GB300全新增量。超级电容具备充放电速度快、能量密度较高、使用寿命长及高可靠性等特点，在AI数据中心可以实现提供紧急供电、平滑电路波动等功能，当前武藏与Flex合作，推动超容成为GB300标配。江海股份为国内少数深耕超级电容的企业，自2016年开始，江海股份利用8亿募投资金对超容技术及生产工艺进行改造，当前公司已于相关生产商探讨技术方案，在方案上完全达到GB300的性能、功用要求，并具备产能大、扩产周期短、特别是成本低的优势；此外公司MLPC产品也已适配AI数据中心，有望将AI打造成公司第二成长曲线。 投资建议：我们认为2025年AI算力的核心矛盾在于“功率密度+传输速率”，前者背后是温控液冷+电力系统等，建议关注江海股份、麦格米特、禾望电气、申菱环境、潍柴重机、科泰电源等；后者背后是AEC、CPO、PCB等，建议关注博创科技、瑞可达、太辰光、天孚通信、沪电股份、生益科技、景旺电子等。 风险提示：AI算力需求不及预期，设计方案发生变化，产品导入不及预期 重点公司盈利预测、估值与评级 1功率密度是当前AI产业的核心矛盾之一 1.1云厂商CAPEX不断向上 云商算力需求仍维持高增，持续增长的资本开支成为北美云商算力的主要支撑。CY3Q24北美四大云商CY3Q24合计资本开支为598.14亿美元，同比增长61.7%，环比增长13.2%；Bloomberg一致预期CY2024北美四大云商资本开支合计为2226亿美元，同比增长51.0%。其中： 1）微软：CY3Q24资本开支149.23亿美元，qoq+7.6%，yoy+50.5%，此前公司指引Q3资本开支环比增加，实际数据基本符合预期，公司指引下一季度资本开支环比增长，但伴随需求增长，资本开支增速将放缓； 2）Meta：CY3Q24资本开支92.10亿美元，qoq+12.7%，yoy+40.8%，公司将全年资本开支预期范围从上一季度的370-400亿美元上修至380-400亿美元，符合391亿美元的Bloomberg一致预期，关于2025年，公司预计2025年资本支出将继续大幅增长； 3）谷歌：CY3Q24资本开支130.61亿美元，qoq-0.9%，yoy+62.10%，此前公司指引Q3资本开支保持或高于120亿美元，实际数据略超预期，据公司指引我们测算公司2024年资本开支预计500亿美元以上，2025年保持适度增长，与此前指引一致； 4）亚马逊：CY3Q24资本开支226.20亿美元，qoq+28.4%，yoy+81.3%，显著超Bloomberg一致预期，公司对2024年资本开支计划为750亿美元，预计2025年将进一步提升。 从北美四大云厂商对资本开支最新的反馈来看，算力需求依旧旺盛。另一方面，云商正在通过：1）AI带来Opex方面的降本增效；2）延长云基础设施的折旧年限等方式提升资本开支潜在空间，算力需求有望持续高增。 图1：1Q20-4Q24北美云商资本开支（亿美元） 图2：2021-2024E北美云商资本开支（亿美元） 国内方面，字节等云厂商AI需求旺盛，有望带动资本开支持续提升。据AI产品榜，字节豆包目前已经成为除了OpenAI ChatGPT外月活数量最高的AI大模型。截止2024年末，豆包大模型MAU达到5998万人，后续有望持续提升，我们假设在保守、中性、乐观三种情况下，2025-2026年豆包大模型MAU分别达到1亿、1.5亿、2亿人次，云雀大模型参数量仍为1300亿，则豆包大模型等效H20算力需求将分别达到72、108、181万张，对应AI服务器需求分别达到759、1139、1898亿元。 表1：豆包大模型推理需求测算豆包大模型推理算力需求测算 字节AI算力中心不断落地。据云头条，2025年1月17日，《关于芜湖江东名邑科技有限公司火山引擎长三角算力中心项目环境影响评价报告表受理批前公示》中披露了字节火山引擎算力中心的最新建设规划，规划设计服务器机柜数量21824台，网络机柜236台。 1.2电力系统为算力Capex的重要一环 我们认为，2025年AI产业的核心矛盾是：1）传输速率；2）功率密度。 其中，就功率密度来看，传统数据中心以CPU云计算为主，芯片功耗较低，风冷及低功率电源即可满足大部分需求；而AI浪潮下，算力芯片单芯片功耗（TDP）快速提高，同时高密度计算要求采用机柜架构，单机柜功率密度提高，对温控和电源系统提出挑战。具体来看： 1）温控：风冷已难以满足需求，功耗超过700W后液冷成为刚需 2）电源：高功率电源成为刚需，HVDC、超容等全新方案，保证供电系统稳定及安全性 参考Semianalysis的报告。下图中黄色部分为电源系统市场空间（由下至上依次为UPS、发电机、开关装置及配电装置）；蓝色部分为温控系统市场空间(由下至上依次为精密空调及CDU等一次侧、冷却塔及冷凝器等二次侧、管道），2023-2028年温控+电力系统市场空间增长约400%，为数据中心建设增量最大的环节。 图3：AIDC电气设备结构 电力系统的高增，源自算力的升级迭代。伴随算力的迭代升级，单位面积晶体管密度持续提高。在算力运算的高并发需求下，会不可避免的产生巨量功耗。 为了降低功耗，晶圆厂及算力芯片持续推进制程的迭代升级。台积电承诺 N2 工艺可以在相同运行电压下，将功耗降低24%至35%，或者提高15%的性能，同时晶体管密度是 3nm 制程节点的1.15倍。然而，伴随摩尔定律放缓，制程升级迭代延后，功耗墙成为挡在高算力需求前面的拦路虎。数据中心建设也必将不断向液冷+电源倾斜。 表2：英伟达加速卡一览 1.3解读三级供电和三级备电 下图为典型的AIDC电气设备结构。可细分为三级供电，以及三级备电。 三级供电： 1）UPS/HVDC：UPS即不间断电源。市电输入UPS后，UPS需要首先进行ACDC转换，用于给蓄电池直流充电，然后进行DCDC，把电压等级转换到合适后续设备工作的电压，再进行DCAC逆变到230V或400V交流电，用于后续的交流设备供电。 而HVDC则是高压直流输电，过去主要长距离、大容量的电力传输。高压直流可以大幅减少输电损耗。并支持更高电压+功率等级。所以目前已有部分AIDC机房开始采用HVDC方案作为第一级供电。如阿里巴巴张北云计算庙滩数据中心。 2）ACDC：即机柜内部的Powershelf，将交流电转换为算力硬件所需的稳定直流电，一般输出电压为48V。主要供应商包括台达、光宝、麦格米特。 3）DCDC：即DCDC电源模块，将48V电压进一步下变压至适用于算力芯片的工作电压，如0.8V，1.3V。其中具体供电策略由Drmos与多相电源控制器芯片决定。主要供应商包括：MPS、瑞萨、AOSL、晶丰明源。 三级备电： 1）超级电容：当遇到市电短暂中断的情况，超级电容可以在极短时间内释放存储的电能，为服务器的关键组件（如内存、缓存等）提供足够的电力，确保数据不会因为突然断电而丢失；同时，超级电容还可抑制电压波动，通过吸收和释放电能来稳定电压，消纳电网浪涌。 2）UPS蓄电池：在断电情况下，UPS可以切换到电池供电模式，电池的直流电会立即通过简单的逆变器电路为设备提供临时电源。 3）柴油发电机：与超级电容和UPS不同的是，柴油发电机只要有充足的柴油供应，就可以持续供电数小时甚至数天。这为在市电恢复之前维持服务器的运行提供了可靠的保障，同时也为采取其他措施（如抢修电网、调配移动发电设备等）争取了足够的时间。在字节1月17日披露的火山引擎算力中心中，柴油发电机设备也作为重点项目进行了公示。 图4：AIDC电气设备结构 本文作为民生电子AIDC电源系列研究的开篇，将重点解读HVDC及超级电容的产业趋势及竞争格局。 2从UPS向HVDC演进，高效电源未来式 2.1UPS系统：数据中心电力供应的守护者 UPS系统是保证数据中心供电连续性和可靠性的关键。一个典型的数据中心供电系统，包括中压配电、变压器、低压配电、UPS、末端配电以及发电机等设备。 其中UPS的主要作用是：1）提供后备时间：在市电电源中断、发电机启动之前，由自带的蓄电池或者飞轮放电，为所承载的负载提供持续稳定的电力供应；2）电网净化：对市电的电源污染问题进行处理，具备稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压浪涌等功能。 图5：大型数据中心供电架构 2.2供电系统两大方向，UPS升级与HVDC崛起 2.2.1UPS技术创新，提升传统方案效率 目前数据中心供配电系统以UPS系统为主。随着数据中心规模的持续扩大，UPS也在不断进行迭代升级，早期故障点多、效率低、扩展困难等问题得以改善。 目前大多数UPS系统采用模块化设计，对关键部件采用全冗余设计，业内平均效率水平达到96%，华为的UPS5000-H更是可以达到99.1%，接近无损耗。一般来说，UPS拥有5种工作模式： 1）市电逆变模式：在市电正常情况下，市电通过整流器由交流电变换为直流电，供给逆变器的同时为电池充电，逆变器将直流电变换为交流电，为服务器设备供电。 2）电池模式：在市电异常或断电情况下，由电池输出，经DC/DC升压器后供给逆变器，再由逆变器输出交流电为服务器设备供电。 3）旁路模式：UPS在发生异常时进行自动切换，市电由静态旁路通道，经滤波后直接为服务器设备供电，此时逆变器处于关机状态，不具备电池后备能力。 4）维护模式：在进行UPS维护时，市电由维护旁路通道直接为服务器设备供电，不对用电环境进行处理，此时整流器和逆变器处于关机状态。 5）ECO模式（UPS运行的经济模式）：在市电输入处于预设电压和频率范围内时，UPS通过静态旁路通道为服务器设备供电，由于不存在电流转换导致效率损耗的情况，整体用电效率有所提高，此时整流器和逆变器始终处于热备用状态。 若超出设定范围，UPS将切换至市电逆变模式或电池模式为服务器设备供电。 图6：UPS全链路供电架构 2.2.2HVDC优势明显，数据中心供电新趋势 目前已有数据中心采用HVDC（高压直流输电）系统。国内方面，最早由中国电信推进使用HVDC，目前已成功扩展至多个领域，主要应用有阿里巴巴的巴拿马电源、腾讯的第三代数据中心T-MDC