AI数据中心行业专题报告：AIDC关注哪些环节？

西部证券研发中心2025年5月7日 分析师|杨敬梅S0800518020002 yangjingmei@research.xbmail.com.cn分析师|陈龙沧S0800525040003 chenlongcang@research.xbmail.com.cn 机密和专有未经西部证券许可，任何对此资料的使用严格禁止 核心结论 AI数据中心驱动电力需求激增，能源与算力成为长期博弈主线。随着AIGC等大模型技术落地加速，AI数据中心成为算力承载的关键基础设施，功耗密度大幅上行，单柜功率由传统的4-6kW跃升至20-40kW。2030年中美数据中心年用电量将分别达1.7万亿和1.2万亿千瓦时，均为2022年的6倍以上。液冷、UPS、电源模块等成为能耗结构中关键的能量消耗主体。 电源模块面临更高功率密度与转换效率要求，AC-DC、DC-DC价值量增加。AI服务器电源转换效率需达到97.5%-98%，价值量有望显著提升，单台服务器机柜的价格约为200-300万美元，其中DC-DC模块单卡价值已达1550元，整机配置可达1.2万元，预计整体市场规模将超过199亿元，国产厂商加速替代进程。电源模块环节推荐核心标的麦格米特，建议关注欧陆通。 HVDC与巴拿马电源迭代替代UPS，高效供电架构成主流趋势。HVDC系统省去逆变环节，效率高达97.5%，在大型AI数据中心逐步普及；巴拿马电源进一步简化供电链路，提升系统效率至98.5%。中恒电气等龙头企业加快技术升级，渗透率有望持续提升，迎接百亿级市场空间。HVDC板块建议关注中恒电气、禾望电气、通合科技、科华数据。 干式变压器为核心组件，需求量提升推动单GW价值上行。AI数据中心对供电连续性与电压稳定性要求极高，干式变压器凭借高安全性优势成为主流。2023年数据中心变压器市场规模为92亿美元，预计2024-2032年CAGR超过7%。金盘科技2024年已签订140余份数据中心订单，同比增长603.68%。推荐伊戈尔，建议关注金盘科技、明阳电气。 柴油发电机组需求旺盛，核心设备价值量高企。高等级数据中心对备用电源提出强配置要求，柴油发电机组具备持续供电能力，市场需求持续释放。2023年全球柴油发电机市场规模为194.6亿美元，中国数据中心用柴油发电市场空间约为554亿元。发动机作为核心部件占比达60%-70%，国内替代仍具广阔空间。建议关注科泰电源、潍柴重机、联德股份。 建议关注AI数据中心产业链优质厂商：电源模块环节推荐：1）麦格米特：已成为英伟达Blackwell平台电源核心供应商；建议关注：2）欧陆通：国产高功率服务器电源领航者。UPS/HVDC环节建议关注：1）中恒电气：HVDC国内龙头，目前正加大出海布局；2）科华数据：为腾讯机房供应HVDC设备；3）通合科技：HVDC新产品持续落地，下游客户验证持续推进；4）禾望电气：电力电子领先企业向HVDC拓展。变压器环节推荐：1）伊戈尔：阿里AIDC移相变压器指定供应商；建议关注：2）金盘科技：AIDC干式变压器龙头企业；3）明阳电气：深耕新能源变压器、数据中心电力模块。柴油发电机环节建议关注：1）科泰电源：柴油发电机行业龙头，市占率领先。2）潍柴重机：全球最大功率柴油发电机组生厂商，适配阿里、百度等云厂商数据中心。3）联德股份：优质铸件领军者，向AIDC上游零部件布局。 风险提示:数据中心投资不及预期；海外贸易风险；行业竞争加剧；技术迭代风险。 AI数据中心用电需求上涨，能源供给体系亟待重构 01 电源模块价值量抬升，AC/DC与DC/DC国内替代加速 02 CONTENTS目录CONTENTS目录 03 供电体系迭代升级，HVDC加速替代传统UPS 变压器成为AI电力系统刚需，出海挑战与机遇并存04 柴油发电机组景气度高位运行 05 1.1AI数据中心耗电量大，短期是算力之争，长期是能源之争 “算力的尽头是电力”，AI数据中心或将带来电源紧缺及区域性缺电风险。目前，热门聊天机器人ChatGPT每天响应用户约2亿个请求，要消耗超过50万千瓦时的电力，其每天用电量是美国家庭平均用电量的1.7万多倍。预计2030年中、美数据中心年用电量分别将达1.7万亿千瓦时和1.2万亿千瓦时，均为2022年的6倍以上，此外，国际能源署表示，美国近一半新增电力需求将来自数据中心。 AI服务器功率较普通服务器高6～8倍，对能耗需求大幅提升。随着深度学习、自然语言处理、计算机视觉等AI技术的不断突破，大规模预训练模型和实时数据处理任务对算力的需求急剧上升。AI数据中心将部署更多高性能计算设备，如GPU、TPU等专用硬件。数据中心的能耗不仅来源于计算设备本身，还包括辅助设施，如液冷、UPS系统等。液冷系统耗电量仅次于IT设备，占总能耗的10%-50%。 1.2AI数据中心耗电量大，算力提升带动GPU功耗增长 推理算力占比提升，训练算力逐年降低。AI数据中心主要包括两个环节：训练和推理。根据IDC的统计数据，2022年部署的智算算力中，训练算力占比为41.5%，推理算力占比达到58.5%；预计到2026年，推理算力的占比将会提升到62.2%，训练算力降低到37.8%。 GPU的算力与功耗成正相关，高性能英伟达显卡与国产GPU的单卡功耗都在300W以上。为确保大模型训练的效率和成本最优，训练业务需建立高度集中化的GPU集群。基于GPU的分布式工作原理，如果需要在减少训练时间的同时降低训练的成本，必须在更小的物理空间内部署更多的GPU服务器，提高集群算效。因此，智算中心机柜面临功耗高密度化挑战，单机柜功耗从传统数据中心的4-6kW增加至20-40kW。AI超算平台需要建立高度集中化的GPU集群，通常由8卡GPU或NPU模组构成。基于芯片功耗数值可推算每台AI服务器的功耗在5-10kW，例如NVIDIA的8卡HGXA100超算平台总功耗达6.5kW，其中GPU功耗占3.2kW。AI服务器组成整体机柜后功率密度将达40kW以上。表：NVIDIAGPU产品功耗与性能相关 1.3AI数据中心电源架构，实现超高压交流电到超低压直流电转换 ·AI数据中心电力供应系统较为复杂，以适配GPU集群的高密度负载需求。经过从主干网到机柜的一系列流程，电力系统将10kV+超高压交流电转换为0.8V超低压直流电。从主干网接入的10kV+高压交流电经中压配电系统分配后，输入10kV/0.4kV变压器，通过UPS（不间断电源）将市电稳压后输入PDU（配电单元）进行二次降压，而后输入AC/DC电源模块。机柜内电源模块中PSU（电源供应单元）将电网提供的交流电（AC）转换为AI服务器稳定运行所需的直流电（DC）。最后，芯片电源模组将输入的直流电转换为芯片所需的超低直流电压。 ·随着算力及功耗的增加，电力系统面临优化散热方案的挑战。普遍使用的液冷技术分为浸润式、冷板式、喷淋式三种，与传统风冷系统相比，其二次侧（TCS侧）采用不导电的冷却液直接或间接与服务器接触，提升换热效率。数据中心备用电源包括BBU（备用电池单元）、UPS、柴油发电机等，UPS、BBU响应时间较柴油发电机快，但持续时间不长。柴油发电机响应时间约为100秒，其作为备用电源可在市电故障时接替UPS持续、稳定向数据中心提供电力保障。 1.4AI数据中心电源架构，确保数据中心供电稳定 •AI电源架构三层协同，保障算力芯片稳定供电。AI服务器电源是数据中心的关键基础设施，为服务器集群提供稳定、高效的电能供应。数据中心电源采用三级电源架构设计：首先通过机柜外电源确保供电安全，再经由机架电源AC/DC转换装置进行电力分配，最后通过芯片电源模组DC/DC完成精准降压，进而实现从电网到AI加速器芯片的高效电能传输。 •机柜外电源：机柜外电源架构升级，HVDC与巴拿马电源加速替代UPS。当前数据中心供电架构正从传统UPS向更高效的HVDC（高压直流）及巴拿马电源演进。UPS技术成熟稳定，但受到能效瓶颈与占地面积限制。HVDC取消逆变环节，直接输出直流电，显著提升传输效率。巴拿马电源则进一步突破，采用移相变压器替代传统干变并整合进系统内部，能量转换效率提升至97%。 •AC/DC：PSU迭代驱动AC/DC升级，第三代半导体加速渗透。PSU是AI服务器机柜中提供电源的重要组件，其主要功能是将外部交流电转换为计算机内部各个组件所需特定电压的直流电，具有提供稳定电源、过载保护、短路保护的功能。由于更高的功率密度及转换效率需求，碳化硅、氮化镓等第三代半导体器件进入PSU电源领域，数据中心服务器的输出功率可提高约50%。 •DC/DC：DC/DC精准降压，支撑AI集群高能效运行。DC/DC环节进一步将电压转换为芯片级电压直流电，如供给GPU和CPU使用的直流低电压。芯片中的降压型稳压器（BUCK）通过周期性开关来控制输出电压，将输入电压通过MOSFET实现电压降低。 1.5未来电源方式：新能源微网+数据中心 直流供电相较传统交流供电系统，可节约15%-30%能耗：数据中心内大部分IT设备内部均需直流供电，而当前数据中心电力供应普遍采用交流供电系统，需要经过多次电能转换，既增加了设备的能耗，也对供电系统的稳定运行造成影响。这在在高密度、高功耗的AI数据中心尤为明显。而直流供电（HVDC）在远程电力传输、整合可再生能源和互联电网方面更高效。因此，直接采用直流供电能够简化供电链路、减少转换损失。 政策利好微电网建设，新能源微网已成电力改革新方向：根据数字储能网，2022年全球微电网市场规模约为289亿美元，2027年预计达到607亿美元，复合增长率16%。2024年，多部委联合发布《加快构建新型电力系统行动方案》要求加快微电网项目建设。微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护，装置等组成的小型发配电系统，既可与大电网联网运行，也能在电网故障或需要时与主网断开单独运行。新能源微网是一种基于分布式能源的电力系统，它可以整合太阳能、风能、储能系统等多种新能源资源，实现就地发电、储能及消费的闭环管理。 直流微网结合新能源供电，解决数据中心能源问题：微电网分为直流微电网、交流微电网、交直流混合微电网等。直流微电网通过直流母线整合分布式电源、储能与负荷通过电力电子变换器向不同电压等级的负荷供电，相比交流微电网可更高效地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统，实现碳排放目标。伴随AI产业规模的扩大，数据中心用电量在持续上升。完整的直流微电网解决方案能够提高电源利用效率，利用储能装置发挥削峰填谷能力，使供电方式更加灵活。此外，直流微网能够提高数据中心供电的可靠性和稳定性，直流供电蓄电池可作为电源并联在负载端，当外部电网不稳定时，蓄电池可确保不间断供电。 1.6政策利好能源互联网建设，推动能源结构演进 能源互联网加速构建，分布式能源与智能电网深度融合。能源互联网可理解是综合运用先进的电力电子技术,信息技术和智能管理技术,将大量由分布式能量采集装置,分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来,以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。我国能源互联网政策自“九五”规划起步，推动能源结构向清洁化、数字化与智能化持续演进。 ·“十二五”（2011-2015）：扩大西电东送规模，特高压进入密集建设期：“十二五”期间，国家电网计划投入5000亿元专项资金用于特高压电网建设，新建特高压输电线路总长度达4万公里，新增变电（换流）总容量4.3亿千伏安。到2015年末全面建成以“三纵三横”为骨干网架的特高压交流输电网络及11条特高压直流输电工程，实现“西电东送”和“北电南送”的全国性能源优化配置格局。 ·“十三五”（2016-2020）：能源与信息领域深度融合，推进源网荷储一体化：“源网荷储”即包含了电源、电网、负荷、储能四方面要素的综合性电力系统。截至2024年3月，全国已有27个省份、自治区开展源网荷储一体化建设项目150个，电源总