赋能人工智能:揭开数据中心冷却与用水的奥秘

驱动人工智能：揭秘数据中心冷却与用水 签名 冷却对于数据中心运营至关重要，其用水量正受到越来越多的审视。然而，我们感觉到许多投资者存在困惑。本报告旨在阐释冷却技术及其水能与能源的权衡，揭穿常见误区，并描绘不断演变的设备供应商生态系统。 主题投资 +1 212 526 8641william.s.thompson@barclays.comBCI, US威廉·汤普森 +1 212 526 2457hannah.greenberg@barclays.comBCI, US汉娜·格林伯格 随着数据中心升温，冷却及其用水量变得至关重要。虽然电力通常主导着数据中心的讨论，但冷却同样关键，特别是随着服务器机架的功率密度上升以及用水受到审视。上周，一次“热事件”扰乱了AWS的一个数据中心。尽管如此，我们感觉到投资者对冷却技术以及电力-用水量权衡的困惑。鉴于其广泛影响，我们：(i) 分析电力效率与用水强度之间的权衡；(ii)澄清数据中心冷却技术；(iii) 纠正投资者的常见误解；(iv) 突出技术持续颠覆的潜力；(v) 阐述潜在的劳动力约束影响；(vi) 梳理数据中心冷却供应商生态系统；(vii) 提供行业层面的视角。 +1 212 526 1661julian.mitchell@barclays.comBCI, US美国多行业朱利安·米切尔 欧洲资本货物 +44 (0)20 3555 8585george.featherstone@barclays.comBarclays, UK乔治·费瑟斯顿，CFA持证人 +44 (0)20 7116 1117vlad.sergievskii@barclays.comBarclays, UK弗拉基米尔·谢尔盖耶夫斯基 (iii)+ 44 (0) 20 7773 6924maggie.oneal@barclays.comBarclays, UK可持续投资研究玛吉·奥尼尔 欧洲公用事业与清洁能源 +44 (0)20 3555 0125peter.crampton2@barclays.comBarclays, UK彼得·克莱姆普顿 巴克莱资本有限公司及其附属公司之一可能与其研究报告涵盖的公司进行业务往来，并寻求进行业务往来。因此，投资者应注意，该公司可能存在利益冲突，从而影响本报告的客观性。投资者应将本报告视为其投资决策的单一因素。 +44 (0)20 3134 2364dominic.nash@barclays.comBarclays, UK多米尼克·纳什，博士 本研究报告由部分或全部在美国境外工作的、未在美国金融业监管局（FINRA）注册或具备研究分析师资格的股票研究分析师准备。 (iii) 该作者为EMEA股票研究部成员，可能发布股票及债券研究报告 请参阅第61页开始的分析师资质认证和重要披露。 目录 执行摘要………4 数据中心冷却入门指南。。。 分化超大规模企业的用水方法。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17微软。18谷歌。20 水技术：补充冷却系统设计 解读常见的投资者误解……………26 液体冷却并非用水的原因……………26 沉浸式冷却并非必然的终点……………28 空气冷却不会消失……………30 冷却器不会被取代……………30 数据中心余热回收不太可能实现规模化……………30 数据中心冷却技术概述。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 空冷CRAC。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 33 水冷CRAC。 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 CRAH + 空冷冷水机组。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 34 CRAH + 水冷冷水机组 + 开式冷却塔。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 CRAH + 水冷冷水机组 + 干式冷却器。 . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 36 液体冷却 + 空冷冷水机组。 . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 液体冷却+ 水冷冷水机组 + 开式冷却塔。 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38 液体冷却 + 水冷冷水机组 + 干式冷却器。 . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 39 利用增上式进行免费冷却。 . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 绝热冷却。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 冷却设备生态系统。41 冷板、CDU和液体热交换器。41 浸没式冷却。44 流体处理与处理设备。44 空气处理与散热设备。45 行业视角……… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… 46可持续投资……… ………… ………… ………… ………… ………… …………………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… 46 美国多行业……… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… 47 欧洲资本货物……… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… 53 欧洲建筑、建筑材料与基础设施……… ………… ………… ………… ………… 55 美国商业与专业服务………………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… …………………… ………… 56 北美环境服务……… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… 58 欧洲公用事业与清洁能源……… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… ………… 执行摘要 数据中心正面临“双重”升温——字面意义上和比喻意义上。随着AI驱动的工作负载将服务器机架的功率密度推高，并给冷却基础设施和相关用水带来新的需求。虽然电力供应仍然是首要限制因素，正如我们在《赋能AI》系列中广泛讨论的那样，数据中心冷却策略正日益受到能源消耗、直接（现场）用水以及与电力生产相关的间接（上游）用水和排放等多维度权衡的影响。就在上周，FanDuel和Coinbase的服务中断与一起“热事件”有关，该事件导致弗吉尼亚州一家AWS数据中心断电。 图2. 不同Nvidia GPU架构的服务器机架功率密度 公司报告及巴克莱研究 我们相信，冷却约占数据中心外壳（不含IT设备）资本成本的10-15%，预计随着先进液冷架构的普及，这一比例将上升。 这项报告意义重大，涉及科技、工业、房地产、能源和可持续发展等多个领域： • 提供数据中心制冷基础指南（《制冷入门101》）。我们概述了用于评估数据中心效率和可持续性的核心指标；审视了日益增长的针对水资源使用的监管和地方审查；解释了从风冷向液冷的转变；并评估了熟练劳动力限制对制冷部署所构成的风险（参见《数据中心制冷入门101》）。 • 分析了电力效率与用水强度之间的权衡。超大规模企业的用水策略开始出现分化。META和MSFT已开始优先考虑最低限度的直接（场内）用水，接受适度更高的电力使用。2 相比之下，GOOG和AMZN表示将继续在低风险地区有选择地使用水，以缓解与增量电力需求相关的更高排放——以及更高间接（上游）用水——的问题。3 GOOG因其对直接和间接环境影响的更全面优化而脱颖而出，导致其报告的直接用水强度远高于同行（参见《分化中的超大规模企业用水策略》） • 消除数据中心冷却技术的神秘感。我们呈现了主要冷却架构的结构化概述，并比较了系统组件和设计权衡（见图14）。没有一刀切的解决方案：大多数现代数据中心依赖针对特定场地限制量身定制的混合冷却配置（参见数据中心冷却技术概述）。 • 纠正常见的投资者误解。与部分投资者的看法相反：(i) 液体冷却并非用水的主要驱动力；(ii) 沉浸式冷却很可能并非最终必然形态；(iii) 空气冷却并未被淘汰；(iv) 制冷机并未被取代；(v) 数据中心余热回收很可能不会大规模推广（参见“纠正常见的投资者误解”）。 • 突出技术颠覆的持续潜力。虽然单相直触芯片（D2C）液冷——即冷却水直接流经附着在硅处理器上的冷板——正获得采用，但行业已为使用制冷剂的二相D2C系统做好准备，以应对服务器功耗的持续增长。从长远来看，供应商正在探索将微流体通道直接蚀刻在硅片上，有可能完全绕过冷板。与此同时，随着单相D2C的规模化，几个系统组件（例如冷板、冷却液分配单元）可能会越来越标准化，而且超大规模计算厂商继续推进内部冷却研发。 • 概述数据中心冷却供应商生态系统。我们阐述了冷却价值链中的关键公共和私人参与者，包括冷板、冷却液分配单元（CDU）、流体处理与处理，以及空气处理与热排放设备（参见冷却设备生态系统）。 • 提供行业视角。我们的行业团队概述了各行业和各公司的具体影响，涵盖：可持续发展（60个国家的基线及预期水资源风险）；美国多行业（CARR、ETN、JCI、MAIR、NVT、TT、VRT）；欧洲资本货物（ALFA、BEAN、LR、SU）；美国商业与信息服务（ECL）；欧洲建筑、建筑与基础设施（ACS、HEIG、HOLN、HOTG、KSPI、ROCKB、SIKA）；北美环境服务（VLTO、WTS、XYL）；以及欧洲公用事业与清洁能源（DRX、ENEL、ENGIE、FORTUM、NTGY、RWE 和 SSE）。 数据中心制冷基础入门 冷却对于数据中心运营至关重要 数据中心服务器实际上就是电锅炉——绝大多数为IT设备（芯片、网络设备、内存和存储）供电的电力都转化为必须持续排出的废热。高温会导致性能下降、设备加速损坏、停机以及资产寿命缩短。正如甲骨文公司恰如其分地所说：“保持数据中心凉爽，是一场永无止境的、驯服仓库级桑拿房的运动。” 重要的是，冷却数据中心需要两个不同但相互关联的步骤： 第一步：从芯片和服务器中移除热量。热量必须首先从IT设备本身提取出来。这可以通过使用空气、液体或相变制冷剂来完成。 作为冷却介质，具体取决于机架密度、工作负载类型和设施设计，如“从风冷到液冷的过渡”部分所述。 第二步：向大气散热。一旦捕获，热量必须被排放到数据中心外部。这可以通过多种途径发生，包括： • 扇子将热空气直接排入大气中；• 将室外冷空气吹过包含温暖制冷剂或液体的冷凝器线圈或热交换器。 或者风扇将外部空气通过水抽入（通过雾化或湿润介质），将热量和水蒸气强制排入大气——这个过程被称为蒸发冷却，涉及直接的水消耗。 在步骤1和步骤2之