数据中心电力设备总览
思瀚产业研究院    2025-02-19

数据中心投资强度与结构

根据Dgtl Infra统计，北美数据中心可以大致分为小、中、大三类，IT负载容量分别为1- 5MW、5-20MW和20MW以上。由于不同类型的数据中心在电力设备冗余度、冷却方式、用途、功率密度等方面存在较大差异，因此投资强度和Capex结构差异较大。

根据Dgtl Infra、Semi Analysis数据，北美新建数据中心总开发成本通常为70-120亿美元/GW（IT负载口径），其中IT设备占比40%-60%，非IT设备（包括发供电、配电、冷却、照明、消防等）占比20%-40%，工程土建占比15%-20%。

非IT设备中，柴油发电机（20%-30%）、冷却与空调（18%-25%）、变配电（15%- 25%）、UPS/HVDC（15%-20%）是主要成本来源。

数据中心供电设备冗余方式

数据中心往往对于供电可靠性具有较高的要求，因此配套供配电系统往往采用冗余设计，典型冗余方案包括2N、DR和RR。

2N系统由两套供配电单元组成，同时运行，互为备用，供配电单元负荷率为50%。2N供电系统是目前最常用的冗余方式，具有突出的供电可靠性，但负载率低、成本较高。DR即分布式冗余系统，由多个（一般为3个）配置相同的供配电单元组成，多个单元同时工作，通过ATS（自动切换开关）实现10kV输入的路径切换，供配电单元负荷率为66%。RR即后备冗余系统，由多个（一般为4个）配置相同的供配电单元组成，多个单元同时工作，通过ATS和STS（静态切换开关）实现IT负载的供电路径切换，供配电单元负荷率为75%。

2N系统负荷率低且成本较高，但控制简单，不涉及大量开关的切换；DR和RR系统负荷率较高成本较低，但需要对ATS和STS进行统一控制，对控制系统和运维管理水平要求较高。

除上述方式外，近年来国内1路市电+1路UPS/HVDC方式得到广泛应用，其中正常情况下市电承担全部负载，当市电断电时UPS/HVDC承担全部负载，与前述方式相比，此方式下系统效率更高。

PUE要求持续提升，供电能效存在优化空间

PUE，即Power Usage Effectiveness，电能使用效率，它表示数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，反映了数据中心在提供IT服务时的能源利用效率。数据中心的能耗主要由两部分构成：IT设备能耗和非IT设备能耗，以PUE为1.5的数据中心为例，其IT设备耗能约占67%，制冷系统约占27%，供配电系统约占5%，照明及其它约占1%。

根据Uptime Institute，2023年全球数据中心平均PUE为1.58。根据中国信通院，2023年我国数据中心平均PUE为1.48，与2022年的1.54相比进一步改善。其中，东北、华北等北部地区充分利用自然风冷等自然优势，平均PUE分别为1.40与1.39、远低于华南、华中等南部地区平均PUE1.53与1.54。

随着智算数据中心能耗的持续提升，AIDC节约用能成为大势所趋。美国发布《数据中心优化倡议（DCOI）》，要求既有数据中心的PUE达到1.5，新建数据中心为1.4。德国出台《能源效率法案》，要求2026年7月或之后开放的数据中心PUE达到为1.2。我国提出《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》、《工业能效提升行动计划》，计划2025年新建数据中心PUE小于1.3。

技术方面，制冷系统作为非IT能耗的主要来源受到产业界的重点关注，其中液冷技术的应用有望成为优化PUE的重要方式。供电系统作为虽然能耗占比较低，但通过优化（例如使用节能型变压器和高效UPS），仍可有效改善数据中心PUE水平。此外，智能化运维、提升管理水平有望助推数据中心迈向精准节能。

AI服务器中芯片功耗占比较通用服务器大幅提升

目前服务器常以8卡形式出现，以英伟达DGX H100服务器为例，服务器整体功耗约10.1kW，其中算力核心GPU功耗约为5.6kW，占服务器整体功耗约为55%；安装4台DGXH100服务器的风冷机柜总功耗约为42kW。以英伟达最新的GB200 NVL72机柜为例，包括18个Compute tray和9个NVSwitch tray，根据SemiAnalysis测算，实际总功耗约为124kW，其中算力核心GB200超级芯片功耗约为97kW，占服务器整体功耗约为78%。可见，AI服务器具备“CPU+GPU”等异构结构，芯片功耗较通用服务器芯片大幅提升，带动芯片功耗在服务器整体功耗的占比进一步提升。

根据维谛，一个英伟达B系列超级计算集群可由8台NVL72 GB200机架组成，合计功率为8×132=1056kW，此外需要配套10台网络与存储机架，合计功率10×12=120kW。因此，参考维谛的设计方案，计算服务器功率占AI数据中心IT负载的90%。

综上，我们估计AI计算芯片功耗占未来AIDC整体IT功耗占比约为60%-75%。

数据中心供电系统介绍

数据中心供电系统可以分为4个层级：一级是变压器（一般采用移相整流变压器），将10kV交流市电转化为380V交流电。二级的方案包括UPS和HVDC两大类，前者需要经过AC/DC、DC/AC两级及以上变换，输出220V交流；后者通常采用AC/DC一级变换，输出240V直流。三级是服务器电源，将220V交流或240V直流转化为12V或48V直流，此前输出以12V直流为主，近两年随着GPU功率持续提升，为提高效率部分采用48V输出方案。四级是板卡电源，传统方式下将12V之前转为1V交流供GPU使用，随着48V方案的出现，板卡可能采用48-12V、12-1V两级变换方式。同时，工程界正在推动48V直接降至1V的解决方案开发。

二级方案包括UPS和HVDC两大类，传统数据中心均采用UPS方案，HVDC方案在近几年兴起，具有效率高、结构简单的优点，目前在二级电源的渗透率约为15%-20%。国内方面，阿里力推HVDC方案；海外方面，目前应用较少，但台达和维谛正在海外大力推广。2019年，阿里巴巴联合中恒电气、台达发布巴拿马电源，将一级电源和二级HVDC高度集成，大幅缩小占地面积，提升系统效率。目前，英伟达GPU机柜仍采用交流输入方案。

数据中心可靠性要求极高，电力设备一般采用冗余设计，且2N方案为主，即供配电设备功率是IT负载最大功率的2倍。

数据中心配套电力设备容量与芯片功耗的关系

一般而言，数据中心供配电设备功率是IT负载的3-5倍。

由于服务器内部配电系统、信号传输等负载，其他存储及网络设备的存在，数据中心IT负载一般是GPU/芯片功率的1.4-1.5x。

除IT负载外，数据中心还包括制冷、供电、照明、消防设备等负载，大致是IT负载的1.2-1.3x。

UPS一般运行在60%-70%负载以保证最佳效率，变压器、开关柜等设备功率与UPS功率匹配。

数据中心供配电系统一般配置“2N”冗余方案，近年来“市电+UPS/HVDC”或DR、RR使用有所增加。

更多行业研究分析请参考思瀚产业研究院官网，同时思瀚产业研究院亦提供行研报告、可研报告（立项审批备案、银行贷款、投资决策、集团上会）、产业规划、园区规划、商业计划书（股权融资、招商合资、内部决策）、专项调研、建筑设计、境外投资报告等相关咨询服务方案。