2023年，我們見(jiàn)證了人工智能(AI)的爆發(fā)，它正在改變?nèi)藗兊墓ぷ鳌⑸睢⒁约芭c技術(shù)交互的方式。以ChatGPT為代表的生成式AI也因其顯著的進(jìn)步和廣泛的應(yīng)用，在去年引起了極大的關(guān)注。隨著人工智能的不斷發(fā)展和成熟，將有可能徹底改變從醫(yī)療保健、金融、生產(chǎn)制造到交通、娛樂(lè)等眾多行業(yè)。市場(chǎng)對(duì)人工智能的巨大需求推動(dòng)了新的芯片和服務(wù)器技術(shù)的發(fā)展，這些變化將對(duì)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)、電力需求、水資源消耗、供配電和制冷技術(shù)與架構(gòu)帶來(lái)顛覆性的挑戰(zhàn)。如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，將在新的一年成為行業(yè)備受關(guān)注的議題。

作為數(shù)據(jù)中心、行業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和數(shù)字化服務(wù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，自2018年起，施耐德電氣已經(jīng)連續(xù)第7年在年初發(fā)布《看得見(jiàn)的未來(lái)—數(shù)據(jù)中心行業(yè)的新趨勢(shì)與新突破》系列洞察，開(kāi)創(chuàng)了行業(yè)趨勢(shì)前瞻解讀先河，并持續(xù)引領(lǐng)未來(lái)變革方向，為數(shù)據(jù)中心行業(yè)注入強(qiáng)勁發(fā)展動(dòng)力。立足深刻的行業(yè)洞察和實(shí)踐，施耐德電氣致力于揭示新一年數(shù)據(jù)中心行業(yè)會(huì)發(fā)生哪些變化，這些變化和趨勢(shì)對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商的價(jià)值和意義，以及對(duì)這些行業(yè)變化的看法和價(jià)值主張。以下是施耐德電氣全球數(shù)據(jù)中心科研中心對(duì)2024年發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

趨勢(shì)一：智算中心將引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)

過(guò)去十年，云計(jì)算一直是推動(dòng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)與發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，目的是為社會(huì)提供數(shù)字化轉(zhuǎn)型所需的通用算力。但是，AI的爆發(fā)帶來(lái)了巨大的算力需求，為了滿足AI大模型的訓(xùn)練和應(yīng)用推理，我們需要建設(shè)大量的智算中心。施耐德電氣根據(jù)全球數(shù)據(jù)中心的用電量，GPU芯片和AI服務(wù)器未來(lái)的出貨量等數(shù)據(jù)，估算出全球智算中心目前的電力需求為4.5 GW，占數(shù)據(jù)中心總57 GW的8%，并預(yù)測(cè)到2028年它將以26%-36%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，最終達(dá)到14.0 GW至18.7 GW，占總93 GW的15%-20%。這一增長(zhǎng)速度是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心年復(fù)合增長(zhǎng)率(4%-10%)的2到3倍。算力的分布也會(huì)由現(xiàn)在的集中部署(集中vs. 邊緣為95%:5%)向邊緣遷移(50%:50%)，這意味著智算中心將引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的潮流。根據(jù)工信部的規(guī)劃，我們國(guó)家智能算力的占比將在2025年達(dá)到35%，年均復(fù)合增長(zhǎng)率在30%以上。施耐德電氣認(rèn)為相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，智算中心的建設(shè)需要在確保高能效和高可用的前提下，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和更具前瞻性，也就是最小化對(duì)環(huán)境的影響，尤其需要提高適應(yīng)性來(lái)滿足未來(lái)IT技術(shù)(高功耗的芯片和服務(wù)器)的需求。

趨勢(shì)二：AI將推動(dòng)機(jī)柜功率密度驟升

機(jī)柜功率密度對(duì)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與造價(jià)具有較大的影響，包括供配電、制冷以及IT機(jī)房的布局等，一直都是數(shù)據(jù)中心比較關(guān)注的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。Uptime過(guò)去幾年的調(diào)研結(jié)果顯示，服務(wù)器機(jī)柜的功率密度正在穩(wěn)步但緩慢地攀升。機(jī)柜的平均功率密度通常低于6千瓦，大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商沒(méi)有超過(guò)20千瓦的機(jī)柜。造成這一趨勢(shì)的原因包括摩爾定律使芯片的熱設(shè)計(jì)功耗維持在相對(duì)較低的水平(150瓦)，同時(shí)高密服務(wù)器通常被分散部署在不同的機(jī)柜以降低對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的要求。但AI的爆發(fā)將改變這一趨勢(shì)，施耐德電氣研究發(fā)現(xiàn)，用于訓(xùn)練的AI機(jī)柜功率密度可以高達(dá)30-100千瓦(取決于芯片的類型和服務(wù)器的配置)。而造成這一高密的原因是多方面的，包括快速提升的CPU/GPU熱設(shè)計(jì)功耗，CPU為200-400瓦，GPU為400-700瓦，未來(lái)還會(huì)進(jìn)一步升高;AI服務(wù)器的功耗通常在10千瓦左右，由于GPU是并行工作的，AI服務(wù)器需要以集群的方式緊湊部署，以降低芯片和存儲(chǔ)之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。機(jī)柜功率密度的陡增將給數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

趨勢(shì)三：數(shù)據(jù)中心正在從風(fēng)冷向液冷過(guò)渡

風(fēng)冷一直都是數(shù)據(jù)中心IT機(jī)房冷卻的主流方式，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，可支持十幾個(gè)千瓦甚至更高的機(jī)柜功率密度。但隨著對(duì)AI訓(xùn)練性能的不斷追求，開(kāi)發(fā)人員不斷提高芯片的熱設(shè)計(jì)功耗，對(duì)這些芯片進(jìn)行風(fēng)冷變得不切實(shí)際。雖然一些服務(wù)器供應(yīng)商通過(guò)重新設(shè)計(jì)芯片的散熱器、增加服務(wù)器風(fēng)量以及進(jìn)出風(fēng)溫差，以不斷突破風(fēng)冷技術(shù)的極限，配置40-50千瓦風(fēng)冷型的AI機(jī)柜，但這會(huì)使風(fēng)扇的功耗呈指數(shù)級(jí)增加。例如，AI服務(wù)器風(fēng)扇可以消耗高達(dá)25%的服務(wù)器功率，但傳統(tǒng)服務(wù)器的典型值只有8%。施耐德電氣認(rèn)為芯片的冷卻才是液冷的主要驅(qū)動(dòng)力，20千瓦機(jī)柜功率密度是風(fēng)冷和液冷相對(duì)合理的分界線。當(dāng)AI機(jī)柜功率密度超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮采用液冷服務(wù)器。相較于風(fēng)冷，液冷還帶來(lái)了諸多好處，包括處理器可靠性和性能提升、能源效率提升、用水量減少以及噪音水平降低等等。目前，對(duì)于高密的AI服務(wù)器，供應(yīng)商通常提供風(fēng)冷和液冷兩種方案，但對(duì)于下一代GPU，液冷將是唯一選擇。

趨勢(shì)四：配電的安全可靠在智算中心更加重要

對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，不同工作負(fù)載同時(shí)達(dá)到峰值的概率極低。比如，典型的大型數(shù)據(jù)中心峰均比通常在1.5-2.0或更高。但在智算中心，由于AI訓(xùn)練負(fù)載缺乏變化(峰均比接近1.0)，工作負(fù)載可以在峰值功率下，運(yùn)行數(shù)小時(shí)、數(shù)天甚至數(shù)周。其結(jié)果是增加了上游大型斷路器脫扣的可能性，以及宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于機(jī)柜功率密度的升高，需要采用更高額定電流值的斷路器、列頭柜、小母線等。而在電阻變小的同時(shí)，可以通過(guò)的故障電流也就更大，這意味著IT機(jī)房出現(xiàn)拉弧的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)升高，保證該區(qū)域工作人員的安全是必須解決的難題。施耐德電氣建議在設(shè)計(jì)階段采用模擬軟件對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析可產(chǎn)生的故障電流，并且對(duì)可靠性進(jìn)行分析，以便為特定場(chǎng)地設(shè)計(jì)最佳解決方案。這項(xiàng)研究必須從中壓開(kāi)關(guān)柜分析至機(jī)柜層面，同時(shí)建議如果新建數(shù)據(jù)中心IT機(jī)房的AI訓(xùn)練工作負(fù)載超過(guò)60-70%，需要根據(jù)下游各饋線斷路器的總和來(lái)確定主斷路器的大小，設(shè)計(jì)時(shí)不再考慮同時(shí)系數(shù)。

趨勢(shì)五：標(biāo)準(zhǔn)化將成為液冷推進(jìn)的關(guān)鍵

冷板式液冷和浸沒(méi)式液冷是數(shù)據(jù)中心液冷的兩種主流方式。究竟選擇哪種液冷方式以及如何實(shí)現(xiàn)快速部署一直都是行業(yè)熱議的話題。隨著越來(lái)越多AI服務(wù)器采用冷板式液冷，冷板式液冷也更容易與傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)兼容，受到很多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商的青睞。但是服務(wù)器廠家液冷的設(shè)計(jì)方式多種多樣，快速接頭、盲插和Manifold的兼容性存在諸多問(wèn)題，IT與基礎(chǔ)設(shè)施的責(zé)任邊界也模糊不清，這大大限制了液冷在數(shù)據(jù)中心的接受度和推廣。相較于冷板式液冷，采用碳氟化合物流體的浸沒(méi)式液冷不僅價(jià)格相對(duì)較高，而且很多碳氟化合物屬于對(duì)環(huán)境有害的人工合成類化學(xué)物質(zhì)，面臨越來(lái)越多的行業(yè)監(jiān)管與政策壓力。因此，浸沒(méi)式液冷除了采用油類冷卻液，可用的碳氟化合物流體將越來(lái)越少。施耐德電氣建議IT廠家提供更為標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方案，包括流體的溫度、壓力、流量、設(shè)備的接口等，并且提供更加明確的責(zé)任邊界。施耐德電氣將在第一季度發(fā)布液冷白皮書(shū)，來(lái)幫助數(shù)據(jù)中心更好地部署液冷技術(shù)。

趨勢(shì)六：數(shù)據(jù)中心將更加關(guān)注WUE

水資源短缺正在成為許多地區(qū)的嚴(yán)重問(wèn)題，了解和減少數(shù)據(jù)中心的水資源消耗變得越來(lái)越重要。此前，數(shù)據(jù)中心水資源消耗未被重視的一個(gè)重要原因是用水成本相對(duì)用電通常是微不足道的，甚至很多數(shù)據(jù)中心通過(guò)消耗更多的水來(lái)提高能效。但是，數(shù)據(jù)中心的用水已經(jīng)引起了很多當(dāng)?shù)卣年P(guān)注，尤其在水資源匱乏的地區(qū)，政府正在出臺(tái)各項(xiàng)政策來(lái)限制和優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的用水。這其中包括將WUE作為數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用水電雙控政策。因此，減少用水量將成為許多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商未來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。施耐德電氣通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心行業(yè)用水量的研究，認(rèn)為數(shù)據(jù)中心的WUE值在 0.3-0.45 L/kWh之間是一個(gè)相對(duì)優(yōu)秀的數(shù)值。施耐德電氣建議根據(jù)數(shù)據(jù)中心所在地域水資源情況、氣候情況和數(shù)據(jù)中心類型，尋找用電與用水之間的平衡。行業(yè)可以采用絕熱蒸發(fā)、間接蒸發(fā)冷卻、液冷等各種技術(shù)創(chuàng)新，從而減少直接用水量。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商應(yīng)將WUE作為可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的一部分，報(bào)告用水量/節(jié)水量，同時(shí)關(guān)注用電所帶來(lái)的間接用水量。

趨勢(shì)七：提升配電能力將成為智算中心新的訴求

在智算中心，隨著機(jī)柜功率密度的提升以及AI機(jī)柜的集群化部署，IT機(jī)房的配電面臨額定容量偏小的挑戰(zhàn)。比如，過(guò)去一個(gè)300 kW的配電模塊可以支持幾十臺(tái)甚至是上百臺(tái)機(jī)柜。而如今，同樣配電模塊的電量甚至無(wú)法支持一個(gè)最低配置的NVIDIA DGX SuperPOD AI集群(單排358 kW的10個(gè)機(jī)柜，每機(jī)柜36 kW)。配電模塊規(guī)格太小，使用多個(gè)配電模塊不僅浪費(fèi)IT空間，也變得不切實(shí)際。與單個(gè)大容量配電模塊相比，多個(gè)配電模塊還會(huì)增加成本。回歸配電的本質(zhì)，提高配電容量的主要手段就是增大電流。施耐德電氣建議在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇規(guī)格足夠高的配電模塊，實(shí)現(xiàn)彈性部署，從而適應(yīng)未來(lái)的配電需求，以至少支持一整排集群為準(zhǔn)。比如，在額定電壓下，800 A的配電模塊是目前適用于所有三種配電類型(PDU，RPP和母線)的標(biāo)準(zhǔn)容量尺寸，可提供576 千瓦(降容后為461 千瓦)。對(duì)于末端配電可以使用小母線，從而避免了定制大于63 A額定電流的機(jī)柜PDU。在空間允許的情況下，可以使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)柜PDU作為過(guò)渡。

趨勢(shì)八：AI將賦能數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造

數(shù)據(jù)中心通過(guò)提供AI算力推動(dòng)人類社會(huì)向著自動(dòng)化、數(shù)字化和電氣化等更加可持續(xù)的方向演進(jìn)，賦能交通、制造和發(fā)電領(lǐng)域減少對(duì)環(huán)境的影響。反過(guò)來(lái)，AI也可以賦能數(shù)據(jù)中心能源的優(yōu)化，來(lái)減少其自身對(duì)環(huán)境的影響。比如，AI和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以用于數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)和空調(diào)末端的控制，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心氣流分布，并基于數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載的變化，實(shí)時(shí)匹配合適的冷量輸出。通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)末端精密空調(diào)及風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地按需制冷，以減少熱點(diǎn)并且降低機(jī)房的能源消耗與運(yùn)維成本。施耐德電氣認(rèn)為AI技術(shù)在機(jī)房空調(diào)群控系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)部環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)測(cè)和控制，并通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)與優(yōu)化來(lái)提高能效和系統(tǒng)的可靠性，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。隨著AI技術(shù)的持續(xù)普及，以及國(guó)家對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的持續(xù)要求，無(wú)論是新建還是改造項(xiàng)目，AI技術(shù)在數(shù)據(jù)中心空調(diào)群控系統(tǒng)中均將得到更多的關(guān)注與應(yīng)用。

趨勢(shì)九：配電系統(tǒng)的占地面積將引關(guān)注

在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中，追求IT機(jī)房面積占比的最大化，即盡可能減少輔助設(shè)備間的占地面積，一直都是數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的主要訴求之一。對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，IT機(jī)房的面積與配電室的面積之比通常為1.5:1左右。隨著AI驅(qū)動(dòng)IT機(jī)柜的高密化，越來(lái)越多的IT機(jī)房采用液冷方式，液冷IT機(jī)房的面積與配電室的面積之比將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在0.6:1左右。這時(shí)，配電室的占地面積將引起數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員的更多關(guān)注，優(yōu)化配電室的占地面積也必將成為行業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。施耐德電氣認(rèn)為在更小的占地面積內(nèi)，提高配電和電源設(shè)備的供電容量是有效的途徑之一。比如，減小UPS系統(tǒng)的占地面積，包括采用更高功率電源模塊的模塊化UPS，實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)單柜功率;同時(shí)采用鋰電池取代鉛酸蓄電池，可以將電池間的占地面積減少40-60%。集中部署供配電設(shè)備(比如：電力撬塊)也可以減少配電間的占地面積;采用體積緊湊的模塊化配電柜和池化柴油發(fā)電機(jī)等應(yīng)急電源也是有效的手段。

趨勢(shì)十：儲(chǔ)能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的價(jià)值日益凸顯

UPS系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量治理和不間斷供電方面一直發(fā)揮著重要的作用。隨著數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商面臨著提高可持續(xù)性和財(cái)務(wù)績(jī)效，同時(shí)保持或增強(qiáng)供配電系統(tǒng)的可靠性和彈性的壓力，新的能源存儲(chǔ)和發(fā)電技術(shù)提供了新的可能性，但也對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)模式和電氣架構(gòu)提出了挑戰(zhàn)。電池和燃料電池等分布式能源技術(shù)能夠有效產(chǎn)生或存儲(chǔ)清潔能源。儲(chǔ)能系統(tǒng)除提供傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)功能外，還可以通過(guò)在用電高峰時(shí)釋放存儲(chǔ)的能量來(lái)管理電力需求高峰，實(shí)現(xiàn)扛峰增載;通過(guò)削峰填谷，降低數(shù)據(jù)中心用電成本，來(lái)實(shí)現(xiàn)能源成本優(yōu)化;同時(shí)參與電網(wǎng)的需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)收。施耐德電氣認(rèn)為數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要降低能源成本，充分利用擱淺的資產(chǎn)，減少對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的依賴，并保持獨(dú)立于電網(wǎng)的業(yè)務(wù)彈性，這些需求為儲(chǔ)能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的采用創(chuàng)造了更多有效的應(yīng)用場(chǎng)景與價(jià)值。隨著鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格的不斷下降和電氣架構(gòu)的創(chuàng)新，數(shù)據(jù)中心可以通過(guò)微網(wǎng)系統(tǒng)提供對(duì)能源供應(yīng)的更大控制權(quán)和自主權(quán);在沒(méi)有微網(wǎng)的情況下，也可以通過(guò)部署儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

進(jìn)入2024年，數(shù)據(jù)中心行業(yè)的重點(diǎn)將從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)轉(zhuǎn)向智算中心建設(shè)，通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)智算中心的可持續(xù)發(fā)展與適應(yīng)下一代IT技術(shù)是關(guān)鍵所在。

以上對(duì)新興趨勢(shì)的預(yù)測(cè)來(lái)自施耐德電氣全球數(shù)據(jù)中心科研中心，該部門設(shè)立于上個(gè)世紀(jì)九十年代。科研中心始終以“探索數(shù)據(jù)中心行業(yè)的技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，倡導(dǎo)最佳實(shí)踐”為團(tuán)隊(duì)使命，通過(guò)發(fā)表通俗易懂的白皮書(shū)和權(quán)衡工具助力數(shù)據(jù)中心用戶提高可用性和優(yōu)化能效，賦能數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)發(fā)展，最大化數(shù)據(jù)中心的商業(yè)價(jià)值。截至2023年，施耐德電氣科研中心團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)表白皮書(shū)230余篇，每年有超過(guò)40萬(wàn)的下載量;權(quán)衡工具30個(gè)，每年有超過(guò)2萬(wàn)用戶在線使用。所有白皮書(shū)和權(quán)衡工具都免費(fèi)提供給整個(gè)行業(yè)學(xué)習(xí)和使用，在推動(dòng)數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展的同時(shí)充分印證了施耐德電氣在數(shù)據(jù)中心行業(yè)思想領(lǐng)袖的地位。

（資料來(lái)源：施耐德電氣官網(wǎng)）