数据中心冷却与电力：不同设备的每兆瓦百万美元成本

数据中心冷却与供电：不同类型设备的每兆瓦成本是多少？ 随着人工智能基础设施的扩展，投资者越来越需要了解哪些供应商有能力获得下一代数据中心相关支出（以美元/兆瓦为单位）。在本报告中，我们分享了我们对关键设备冷却和电力内容的关键估计。为了验证我们的数据，我们结合了初步研究和次级研究，包括与专家的讨论、公司网站和产品目录的审查，以及在冷却和电力系统中的详细组件级映射。 +1 917 344 8543varun.govindaraj@bernsteinsg.com瓦鲁·高文达拉吉 +1 917 344 8469chad.dillard@bernsteinsg.com查德·迪拉德 数据中心冷却设备：AI机架密度的快速增长正迫使冷却架构从传统的风冷方式向直接液冷方式转型。在风冷数据中心中，服务器产生的热量通过后门热交换器（RDHx）、计算机房空气调节器（CRAH）、冷水机组和热排放设备（干冷器或冷却塔）的组合进行移除。在液冷架构中，通过冷板、歧管和冷却液分配单元（CDU），热量更靠近芯片被移除，显著提高了高密度AI工作负载的冷却效率。虽然冷水机组在两种架构中仍然是冷却系统的核心动力，但随着液冷技术的采用增加，设备配置发生了显著变化。价值重心从仅用于液冷系统余热的CRAH和RDHx，转向CDU、冷板和液体分配基础设施。 +44 20 7762 4952alasdair.leslie@bernsteinsg.com阿拉斯代尔·莱斯利 +1 917 344 8432miguel.marques@bernsteinsg.com米格尔·马克斯，CFA持证人 +44 20 7550 2192om.kela@bernsteinsg.com奥姆·凯拉 我们估计，在空气冷却部署中，总冷却成本约为每兆瓦1.1-1.5百万美元，而在液体冷却部署中，总冷却成本则增加至每兆瓦1.3-1.8百万美元。 +1 917 344 8401steve.song@bernsteinsg.com宋伟 (Sòng Wěi) 数据中心电源分配设备。传统的数据中心电源架构依赖于以交流电为基础的电气链路，包括开关柜、变压器、ATS、UPS系统和PDU。然而，随着AI集群规模扩大且电力需求日益增长，运营商正越来越多地评估能降低转换损耗、提升电气效率的高压直流架构。行业未来的发展路径可能涉及逐步从传统交流电过渡到混合800VDC架构，之后再在较长期内转向完全本地的800VDC系统。这一转型重塑了设备堆栈，而非完全消除基础设施需求。混合800VDC架构引入了整流器、母线槽和BESS等新类别，同时淘汰了传统的UPS和交流配电系统。本地800VDC架构则代表了一种更根本性的重新设计，最终可能集成固态变压器，并形成一个以直流电为主体的配电网络。 尽管设备配置在不断变化，我们估计，在传统交流（AC）架构中，总功率含量仍相当可观，约为1.8-2.5兆瓦/兆瓦；在混合800VDC架构中（不含整流器）约为1.7-2.5兆瓦/兆瓦；在原生800VDC架构中（不含固态变压器）约为1.4-2.1兆瓦/兆瓦。我们观察到整流器/固态变压器（SST）的估算值存在材料分散现象，鉴于相关技术仍在不断发展，我们目前尚不倾向于对这些技术发表具体看法。 伯恩斯坦行情表 投资影响 美国多行业：我们给予VRT（现价$416）评级为跑赢，NVT（现价$220）、TT（现价$555）和JCI（现价$173）评级为跑赢。我们给予CARR（现价$75）评级为市场持平。 欧洲资本货物：我们给予施耐德（PT €310）和西门子（€300）以及 Legrand（€170）"跑赢市场"评级，给予ABB（CHF70）"市场中性"评级。 美国机电产品：我们给予伊顿（股价：534美元）跑赢大盘的评级。 细节 数据中心冷却设备 数据中心冷却主要有两种架构，我们将在下文更详细地解释它们（以及它们所使用的组件）。 风冷架构：服务器产生的热量以热废气形式排出，其中一部分被安装在服务器机架后部的后门热交换器（RDHx）捕获。产生的温热空气进入热通道，由位于数据中心内的计算机房空气处理器（CRAH）供应的冷风对其进行冷却。CRAH吸收的热量被转移至设施冷水循环系统，并输送至制冷机组，该机组作为设施的中心制冷引擎。然后，制冷机组将热量转移至外部排热设备（干冷器或冷却塔），最终排入环境。 液冷架构：热量通过安装在处理器上的冷板直接从GPU（和CPU）中移除。冷却液通过冷却液分配单元（CDU）和机架级歧管进行分配，这些歧管在设施水系统与芯片级冷却液回路之间进行接口。大部分热能通过液体路径被移除，在高计算密度下显著提高了冷却效率。然而，残余热量仍留在室内，通常通过组合使用CRAH和后门热交换器进行冷却。设施最终通过冷水机组、干冷器和冷却塔（与传统风冷数据中心类似）来排热。 数据中心冷却生态系统中所使用的组件 1.制冷机组：制冷机组是设施的核心制冷设备，为整个冷却系统提供冷冻水。它从温回水中吸热，并将这些热量转移至热排放系统（通常是干式冷却器或冷却塔），然后冷却循环重新开始。 2.计算机房空气处理器（CRAH）：CRAH单元向服务器机架输送冷风，并在风冷和液冷环境中提供余热管理。吹出的空气带走服务器产生的热量（在风冷系统中）和余热（在液冷环境中）。 3.干冷器：干冷器是一种室外热排放系统，它利用风扇将热量排放到周围环境中。它们提供了一种节水的方式来从设施中移除热量。可与制冷机一起使用，也可独立使用。 4.冷却塔：冷却塔通过蒸发将设施水中的热量传递到大气中。它们通常用于需要大量排热能力的大型冷水装置。 5.冷板：直接安装在GPU（和CPU）上，冷板通过与处理器封装直接接触来提取热量。热量会立即被传递到循环冷却液流（在冷板微通道内），然后被引导回液体冷却回路。 6.流体管路：流体管路将冷却剂从CDU分配到机架内的各个冷板，并在冷却剂返回时进行收集。它们是直接液体冷却系统的机架级流体主干。 7.冷却液分配单元（CDU）：CDU是设施用水与为处理器服务的二次液体冷却回路之间的接口。CDU控制液体冷却回路中的冷却液压力、流量、温度和系统保护。 8.后门热交换器（RDHx）：RDHx系统安装在机架后方，利用液冷式线圈吸收服务器排出的热量。它们在特别高密度的环境中提供辅助冷却和余热移除。 9.数据中心基础设施管理（DCIM）软件：DCIM软件监控并优化整个设施中冷却设备的表现。该平台为整个生态系统提供运营可见性、警报、分析、容量和性能管理。 根据我们的分析，我们估计风冷数据中心的冷却设备内容机会为每兆瓦1.1-1.5百万美元，液冷数据中心的冷却设备内容机会为每兆瓦1.3-1.8百万美元。 数据中心中的电源架构 目前，数据中心由公用电网提供的交流电供电。随着我们转向更高的机架密度，超大规模部署正逐步转向800V直流配电架构。这一转变并非一蹴而就，将通过混合设置（首先将某些优化设备组合成“旁路”系统）来实现，我们称之为“混合800VDC”，然后再过渡到全规模的800VDC堆叠，我们称之为“原生800VDC”。下面我们将更详细地解释这三种方法（以及它们所使用的组件）。 传统交流（AC）架构：市电通过中压（MV）开关柜进入，再经过降压并通过低压（LV）开关柜、自动转换开关（ATS）系统、不间断电源（UPS）单元和电源分配单元（PDU）进行分配。在整个架构中（尤其是在UPS内部）会发生多次交流到直流（AC-DC）和直流到交流（DC-AC）的转换，最终电力才到达为实际处理器供电的服务器级电压调节器。虽然这种拓扑结构经过高度验证且非常可靠，但随着机架密度的增加，由于累积的转换损耗，其效率会变得越来越低。 混合800VDC架构：通往更高电压直流配电的最实用近期路径。电力通过中压开关柜进入设施，然后通过传统降压变压器降压，再使用集中式整流器将交流电转换为800VDC。这种方法的特点是一个称为“侧挂柜”的箱体——它整合了低压开关柜（适用于直流系统）、整流器（用于交流直流转换）以及即时电源备份——电池备份单元（BBU）。直流电随后通过总线通道（类似于PDU，但针对直流电源进行了优化）在整个数据中心进行分配，而现有的交流基础设施和备份架构基本保持完整。电力最终通过位于服务器级别的电压调节模块（VRM）转换为处理器所需的较低电压。通过消除中间的交直流转换和直交流转换阶段，该架构提高了电气效率，同时允许运营商利用他们大部分现有的设施基础设施。在我们看来，混合800VDC应被视为一个进化步骤，它能够在无需完全重新设计数据中心电气堆栈的情况下，实现更高密度的AI部署。 原生800VDC架构：原生800VDC代表了AI数据中心电力配送的潜在长期终极解决方案。它不依赖于设施内部的传统交流配电，而是在靠近公用事业入口处将电力转换为高压直流电，并以800VDC形式在整个数据中心内进行分配。在其最终形态下，固态变压器（SST）会将电压转换、电力调节和备用功能集成在一个设备中，从而消除多个传统组件，如UPS系统、传统变压器和低压配电堆栈的一部分。直流电通过母线槽传输到机架，其中VRM执行GPU（和CPU）所需的最终转换。虽然该架构提供了最高效率和最低转换损耗的潜力，但几种使能技术（尤其是固态变压器）仍处于商业化的早期阶段。因此，我们将原生800VDC视为行业的长期目标，而非即时的部署模型。 数据中心电源分配生态系统中所使用的组件 1.中压（MV）开关设备：中压开关设备是进入设施的用户电源的主要控制和保护层。它实现故障隔离、开关操作和电力安全分配。 2.降压变压器：变压器在数据中心内将中压公用电源降至可用的配电电压。它们在公用基础设施和设施电气设备之间起到桥梁作用。 3.低压开关柜：低压开关柜在提供故障和过载保护的同时，分配低压电力。它构成变压器下游的主配电层，并作为“次级安全保护”（在中压开关柜之后），保护系统免受电源波动和短路的影响。 自动转换开关（ATS）：监控市电输入，在停电时快速将负载切换至备用电源（柴油发电机/交流UPS/直流BESS），对于维持不间断运行至关重要。 5.不间断电源 (UPS)：传统交流架构的关键组成部分，UPS在电网扰动期间提供瞬时供电。它们在备用发电系统启动和同步期间，保护敏感的IT设备。这是通过先将输入的交流电转换为直流电为嵌入式电池充电来实现的。然后，再将该直流电转换回交流电，以使电流流向系统的其余部分。 6.功率分配单元（PDU）：交流架构中的机架级分配组件，PDU将电力分配至数据中心和各个服务器机架。它们提供本地化的电源管理和保护功能。 7.总线通道：AC架构中的机架级配电组件，总线通道通过数据中心内的架空路径分配大电流电力。它们为AI机架提供了一种可扩展的供电方式。 8.大功率整流器：将480VAC转换为800VDC，用于混合800VDC架构。它消除了下游转换阶段并提高了效率。鉴于其开发和商业化仍处于早期阶段，我们未能找到适用于数据中心的大功率整流器的可信成本估算。 9.电池后备单元（BBU）：混合800VDC系统的一个关键组件，BBU是系统的主要电源备份，可在几秒钟内提供ride-through能力以及电源质量支持。 10.电池储能系统（BESS）：对于混合式和原生800VDC系统而言都是关键组成部分，BESS作为二级电源备份，提供ride-through能力、备用电源和电能质量支持。在新兴直流电力架构中，其重要性日益凸显。 11.稳压器模块（VRM）：在电源到达处理器之前，执行从高压直流到低电压直流（由GPU和CPU消耗）的最终电压转换。它们提供GPU和CPU所需的低电压、大电流电源。 12.固态变压器（SST）：本土800VDC架构的主要组件，SSTs有潜力将电压转换、电源调节和备用功能整合为一个一站式解决方案。该技术尚处萌芽阶段，但可能成为本土800VDC系统的重要推动者。鉴于其开发和商业化仍处于早期阶段，我们未能找到SSTs的可信成本估算。 13.柴油发电机：负责