数据中心未来将采用交流电还是直流电供电？

人工智能、大语言模型和GPU的进步在近几个月占据了新闻头条。但连锁反应正在持续，数据中心中与AI工作负载相关的一切都需要重新思考——包括维持这些系统运行的基础电力设施。

为了通过GPU和大语言模型支持加速计算，可持续增长需要仔细审视为不断发展的AI数据中心提供电力的最佳方式。随着设施规模越来越大、耗电量越来越高，这个存在了一个世纪的老问题重新浮现，并变得更加紧迫：交流电(AC)还是直流电(DC)是未来数据中心的最佳选择？

据一些专家表示，答案是虽然交流电由于其传输便利性和标准化设备，在几十年来一直主导着商业和数据中心的电力分配，但随着AI工作负载将传统基础设施推向极限，直流电正在获得发展势头。

Vertiv全球电力副总裁Peter Panfil解释说："直流电在一些数据中心中已经存在约20年了。400V和800V在UPS中已经使用了很长时间，但为了应对AI中的动态负载变化而开始出现的是直流电的新应用。"

据Panfil介绍，供应商和超大规模云服务商社区都在积极开发400V、800V和1500V直流电架构。从公用事业到机架的全栈直流电模拟也在进行中，以验证在AI工作负载和高密度计算场景下的性能。

电源管理公司Eaton的数据中心首席架构师Joshua Buzzell在讨论直流电的优点时表示，它提供更高的效率，并消除了对基于交流电的UPS系统的需求。这释放了机架空间并减少了转换损失。

他补充说，基于直流电的系统设计已经在太阳能光伏、燃料电池和电池储能系统中得到广泛测试和部署。

直流电采用路径上的技术挑战

在直流电在数据中心实现广泛采用之前，必须克服几个技术障碍。最明显的挑战是组件重新设计。从变压器到断路器，几乎每个组件都必须重新设计以适应直流电操作。这给变压器、PDU、变电站、UPS、转换器、调节器和其他电气设备供应商带来了重大负担。

高压直流电也带来了安全挑战。电弧抑制和故障隔离更加复杂。正在设计内部模型来通过固态断路器和混合保护方案解决这个问题。此外，数据中心直流电分配没有通用标准，这使互操作性和认证变得复杂。

Apolo.us首席执行官兼AFCOM数据中心世界主席Bill Kleyman表示："安全和监管合规是重大障碍，特别是在较高的直流电压下，由于与交流系统相比具有不同的电弧闪络特性和故障管理要求。同时，缺乏商业上可获得的、现成的接受原生高压直流输入的IT设备，导致依赖专门的、通常是定制的解决方案。"

短期成本与长期节省

直流电转换的价格标签将是巨大的。但前期资本支出必须与长期收益和潜在节省进行权衡。

由于直流电系统更高效，它们为高功率机架释放空间，并消除了对交流UPS和变压器的需求。

Kleyman指出，由于直流电系统需要更少和更小的电力转换单元，故障点将更少。在新建设场景中，这些综合的效率和运营改进通常超过初始设置成本。

Kleyman说："转换为直流电的初始资本支出可能很大，主要是由于需要专门的基础设施和电力转换系统。然而，长期运营支出节省是显著的——由于减少了电力转换损失和更低的冷却需求，通常在7-20%的范围内。"

在可持续性方面，直流电具有明显优势。直流电导致更低的转换损失，相当于更少的能源浪费。此外，直流电与太阳能光伏和电池储能更兼容，减少了长期运营支出和碳成本。

更好地与可再生能源集成的能力使得更容易将太阳能、燃料电池和电池储能直接连接到直流母线。最后，更少的转换阶段意味着产生更少的热量，减少整体冷却需求。

转换现有数据中心

几乎所有现有数据中心都使用交流电。将数据中心从交流电转换为直流电可能具有挑战性，但并非不可能。

数据中心管理者需要更换或绕过交流UPS、变压器和PDU。由于建筑规范和UL认证仍在跟上，存在需要克服的合规和监管障碍。

因此，一些数据中心正在考虑分阶段迁移路径。增量转换——如为高密度工作负载实施隔离的直流电区域或引入直流微电网——可以是一个实用的策略。这些部分直流电实施使数据中心能够获得一些效率和容量优势，而无需完全改造所需的巨大资本投资。

但混合交流/直流安排和分阶段迁移对于那些急于在AI时代获得竞争优势的人来说太慢了。完全的直流数据中心已经与我们同在。Mt. Diablo倡议——Meta、微软和开放计算项目之间的合作——是从电动汽车电力基础设施衍生的±400 VDC机架电力分配实验。初步发现是有希望的。它支持1 MW机架，减少转换损失，与传统交流电供电设置相比，机架空间利用率提高约3%。

ABB为Green Datacenter AG进行的另一个试点使用集中整流和母线分配提供了近1 MW的直流电。虽然主要是研究导向的安装，但它证明了高压直流电在整个设施中的可行性。

一家名为Claros的初创公司正在开发模块化直流电力传输技术，包括直接向服务器芯片提供直流电的集成电压调节器。这种方法消除了多个中间转换阶段。

与此同时，开放计算项目的开放机架标准在Meta和谷歌等超大规模云服务商中得到广泛使用，采用48 VDC母线分配直接到服务器。

Eaton正在与英伟达合作，实现AI数据中心向高压直流电(HVDC)电力基础设施的转变。

这种合作包括设计最佳实践、参考架构和电源管理，以支持高密度GPU部署，如配备英伟达Rubin Ultra GPU的英伟达Kyber机架级系统。目标是过渡到800V HVDC电力基础设施，以支持1 MW机架及更高配置。

数据中心中的混合交流/直流

也许有一天，我们会看到巨大的AI数据中心完全在直流电上运行。但在未来许多年里，混合架构是最可能的结果。

Buzzell说："未来的数据中心越来越倾向于直流电——特别是高压直流电(HVDC)——但不是完全如此。"

Kleyman同意这一观点。他认为AI工作负载和新兴的AI工厂将推动直流电的日益采用，因为它们的电力需求非常大。他补充说，直流电也天然适合集成先进的冷却解决方案和电池储能，解决机架级密度要求和更广泛的电网稳定性问题，因为AI数据中心在规模和复杂性上急剧扩大。

Kleyman说："由于其成熟性、广泛的基础设施和高压传输的便利性，交流电对于设施级电力仍将至关重要。然而，直流电，特别是在更高电压如±400 VDC下，很可能在数据中心内部变得突出，主要由高密度AI和以GPU为中心的工作负载的效率需求驱动。"

Q&A

Q1：为什么AI数据中心需要考虑从交流电转向直流电？

A：随着AI工作负载和大语言模型的发展，数据中心的电力需求大幅增加，传统交流电基础设施被推向极限。直流电提供更高效率，减少转换损失，释放机架空间，消除对交流UPS系统的需求，更适合支持高密度GPU部署和1MW以上的机架配置。

Q2：直流电数据中心面临哪些主要技术挑战？

A：主要挑战包括组件重新设计（从变压器到断路器都需重新设计）、高压直流电的安全问题（电弧抑制和故障隔离更复杂）、缺乏通用标准导致互操作性和认证困难，以及商业上缺乏现成的接受高压直流输入的IT设备。

Q3：直流电转换的成本效益如何？

A：虽然初始资本支出巨大，主要用于专门基础设施和电力转换系统，但长期运营支出节省显著，通常可节省7-20%。这得益于减少电力转换损失、降低冷却需求、释放机架空间，以及更好地集成可再生能源，减少长期运营和碳成本。