2025年AI数据中心行业专题报告：AIDC关注哪些环节？

AI数据中心用电需求上涨，能源供给体系亟待重构

AI数据中心耗电量大，短期是算力之争，长期是能源之争

“算力的尽头是电力”，AI数据中心或将带来电源紧缺及区域性缺电风 险。目前，热门聊天机器人ChatGPT每天响应用户约2亿个请求，要消耗 超过50万千瓦时的电力，其每天用电量是美国家庭平均用电量的1.7万多 倍。预计2030年中、美数据中心年用电量分别将达1.7万亿千瓦时和1.2 万亿千瓦时，均为2022年的6倍以上，此外，国际能源署表示，美国近一 半新增电力需求将来自数据中心。 AI服务器功率较普通服务器高6～8倍，对能耗需求大幅提升。随着深度 学习、自然语言处理、计算机视觉等AI技术的不断突破，大规模预训练 模型和实时数据处理任务对算力的需求急剧上升。AI数据中心将部署更 多高性能计算设备，如GPU、TPU等专用硬件。数据中心的能耗不仅来 源于计算设备本身，还包括辅助设施，如液冷、UPS系统等。液冷系统 耗电量仅次于IT设备，占总能耗的10%-50%。

AI数据中心耗电量大，算力提升带动GPU功耗增长

推理算力占比提升，训练算力逐年降低。AI数据中心主要包括两个 环节：训练和推理。根据IDC的统计数据，2022年部署的智算算力 中，训练算力占比为41.5%，推理算力占比达到58.5%；预计到 2026年，推理算力的占比将会提升到62.2%，训练算力降低到 37.8%。 GPU的算力与功耗成正相关，高性能英伟达显卡与国产GPU的单卡 功耗都在300W以上。为确保大模型训练的效率和成本最优，训练业 务需建立高度集中化的GPU集群。基于GPU的分布式工作原理，如 果需要在减少训练时间的同时降低训练的成本，必须在更小的物理 空间内部署更多的GPU服务器，提高集群算效。因此，智算中心机 柜面临功耗高密度化挑战，单机柜功耗从传统数据中心的4-6kW增 加至20-40kW。AI超算平台需要建立高度集中化的GPU集群，通常 由8卡GPU或NPU模组构成。基于芯片功耗数值可推算每台AI服务器 的功耗在5-10kW，例如NVIDIA的8卡HGX A100超算平台总功耗达 6.5kW，其中GPU功耗占3.2kW。AI服务器组成整体机柜后功率密度 将达40kW以上。

AI数据中心电源架构，实现超高压交流电到超低压直流电转换

AI数据中心电力供应系统较为复杂，以适配GPU集群的高密度负载需求。经过从主干网到机柜的一系列流程，电力系统将10kV+超高压交流电转 换为0.8V超低压直流电。从主干网接入的10kV+高压交流电经中压配电系统分配后，输入10kV/0.4kV变压器，通过UPS（不间断电源）将市电稳 压后输入PDU（配电单元）进行二次降压，而后输入AC/DC电源模块。机柜内电源模块中PSU（电源供应单元）将电网提供的交流电（AC）转 换为AI服务器稳定运行所需的直流电（DC）。最后，芯片电源模组将输入的直流电转换为芯片所需的超低直流电压。

随着算力及功耗的增加，电力系统面临优化散热方案的挑战。普遍使用的液冷技术分为浸润式、冷板式、喷淋式三种，与传统风冷系统相比，其 二次侧（TCS侧）采用不导电的冷却液直接或间接与服务器接触，提升换热效率。数据中心备用电源包括BBU（备用电池单元）、UPS、柴油发 电机等，UPS、BBU响应时间较柴油发电机快，但持续时间不长。柴油发电机响应时间约为100秒，其作为备用电源可在市电故障时接替UPS持续、 稳定向数据中心提供电力保障。

AI数据中心电源架构，确保数据中心供电稳定

AI电源架构三层协同，保障算力芯片稳定供电。AI服务器电源是数 据中心的关键基础设施，为服务器集群提供稳定、高效的电能供应。 数据中心电源采用三级电源架构设计：首先通过机柜外电源确保供 电安全，再经由机架电源AC/DC转换装置进行电力分配，最后通过 芯片电源模组DC/DC完成精准降压，进而实现从电网到AI加速器芯 片的高效电能传输。

机柜外电源：机柜外电源架构升级，HVDC与巴拿马电源加速替代 UPS。当前数据中心供电架构正从传统UPS向更高效的HVDC（高 压直流）及巴拿马电源演进。UPS技术成熟稳定，但受到能效瓶颈 与占地面积限制。HVDC取消逆变环节，直接输出直流电，显著提 升传输效率。巴拿马电源则进一步突破，采用移相变压器替代传统 干变并整合进系统内部，能量转换效率提升至97%。

AC/DC：PSU迭代驱动AC/DC升级，第三代半导体加速渗透。 PSU是AI服务器机柜中提供电源的重要组件，其主要功能是将外部 交流电转换为计算机内部各个组件所需特定电压的直流电，具有提 供稳定电源、过载保护、短路保护的功能。由于更高的功率密度及 转换效率需求，碳化硅、氮化镓等第三代半导体器件进入PSU电源 领域，数据中心服务器的输出功率可提高约50%。

DC/DC：DC/DC精准降压，支撑AI集群高能效运行。DC/DC环节 进一步将电压转换为芯片级电压直流电，如供给GPU和CPU使用 的直流低电压。芯片中的降压型稳压器（BUCK）通过周期性开关 来控制输出电压，将输入电压通过MOSFET实现电压降低。

电源模块价值量抬升，AC/DC与DC/DC国内替代加速

AI服务器电源功率密度、效率提升，用电需求增长

AI算力推动电源需求激增，GPU能耗进入TWh时代。AI服务器电源 的特殊性主要在于其功率密度和效率。国际能源署（IEA）的数据指 出，2023年NVIDIA芯片的电力消耗已达7.3TWh，2026年电力消耗 将达2023年的10倍。随着AI服务器功耗的快速提升，服务器电源必 须在保持效率不变的情况下通过提升功率密度以满足AI服务器在处 理大量数据和复杂计算任务时对电源的高要求。

单机柜功率最高突破120kW，模块化挑战升级。AI系统在训练过程 中需要用到GPU和TPU等加速器，它们可以处理重复性和密集型计 算，但却异常耗电，功率大幅提升。如英伟达的DGX-1 GPU超级计 算机内置8个Tesla P100 GPU，每个GPU算力达到21.2TeraFLOP， 总共需要3200W的系统总功率；而最新一代的DGX-2超级计算机则 内置16个Tesla V100 GPU，每个GPU算力达2 petaFLOP，所需系 统总功率达到10kW。在功率密度方面，AI服务器电源在使用时需要 插入标准机架中，电源功率随着算力需求的增加而提升，功率密度 的提升是主要难点。H100服务器机架的10.2KW的功率需要配备 19.8kW的电源，而NVL72机架的120KW功率则要求198KW的电源 模块。AI服务器电源的功率密度可达100W/立方英寸，远超普通服 务器电源的50W/立方英寸。

转换效率提升至98%，支撑AI服务器稳定高效运行。传统服务器电 源的转换效率一般在96%，而AI服务器电源则需达到97.5%-98%的 高标准，以降低能量损耗并支撑更高功率密度的GPU。

AI高速发展带来用电需求提升，AI电源价值量增加

AI技术精进，电力消耗剧增。据Artificial Intelligence Index Report 2023统计，各类先进的AI模型，如DeepMind Gopher、Hugging Face BLOOM、OpenAI GPT-3、Meta OPT的单次训练耗电量分别 高达1066MWh、433MWh、1287MWh和324MWh。

全球服务器出货回暖，AI服务器需求快速增长。受益于AI大模型快 速发展，算力需求快速提升，而AI服务器作为算力承载的核心基础 设施，其出货量有望快速增长。根据 TrendForce集邦咨询统计， 2023年AI服务器（包含搭载GPU、FPGA、ASIC等）出货量近120 万台，同比增长38.4%，在整体服务器出货量中占比接近9%， 2022-2026年AI服务器出货量CAGR将达22%。

AI 服务器对电源要求更高，有望提升服务器电源价值量。大模型 AI 训练服务器对算力需求更高，其服务器电源功率和配置数量明显 提升。AI服务器功率是普通服务器的6-8倍，因此需要的电源也相 应增加，通用服务器通常使用2个800W电源，而AI服务器则需4个 1800W电源。服务器电源价格通常与其功率成正相关，故价值量或 有所提升 。 参 考 浪 潮 信 息 官 网 信 息 ， 浪 潮 信 息 通 用 服 务 器 NF5170G7支持1+1冗余550W/800W/1300W CRPS标准电源，而 其AI服务器NF5468G7却需要4个1600W/2000W/2200W/3000W 80Plus铂金/钛金PSU，支持N+N冗余，电源数量及功率要求均有 明显提升，后者价值量自然更高。

供电体系迭代升级，HVDC加速替代传统UPS

HVDC、UPS电源基本情况及工作原理

HVDC：单级整流架构简化路径，电能转换效率显著提升。 HVDC电源系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流 配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。它通 过将交流电整流为直流电，然后通过直流配电单元为IT设备供电。 HVDC工作原理：在市电正常时，整流模块将交流电转换成高压 直流电，供给IT设备并为蓄电池充电；在市电异常时，蓄电池继 续为IT设备供电。与传统UPS系统需经过AC-DC-DC/AC两级转 换不同，HVDC方案通常实现单级AC-DC转换，从而避免了逆变 环节，减少电能转换损耗。

UPS：稳压逆变保障持续供电，传统方案依旧具备冗余优势。UPS不间断电源设备是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件、 稳压稳频输出的电源保护设备，主要由整流器、蓄电池、逆变器 和静态开关等几部分组成。UPS不会因短暂停电中断、可以一直 供应高品质电源，有效保护精密仪器的电源设备。UPS类似稳压 器，亦有稳定电压的作用。 工作原理：UPS在市电正常时，UPS不间断电源通过整流器将 市电转换为直流电供给蓄电池充电，并通过逆变器将直流电转换 为稳定的交流电供给负载；当市电中断时，蓄电池通过逆变器将 储存的直流电能转换为交流电继续供给负载，确保负载供电的连 续性和稳定性。 UPS系统一般采用1+1、2N冗余，1+1系统中只 有一条市电输入，两台UPS互为冗余；2N系统中有两条市电输 入，当某路市电断电后，另外一路市电也能起到供电作用。

HVDC省去逆变环节，减少电能转换消耗

HVDC：运行成本节省20%，初期投入与配电要求门槛较高。优势：HVDC系统减少了交流/直流转换环节，通常只需要 一次AC/DC转换，因此HVDC的运行效率更高。稳定性和 可靠性较高，减少了潜在的故障点。在供电系统上， HVDC是直流+/-级母线供电，对于IT设备不存在零地电压 问题。电源系统的建设和运营成本相对较低，运营成本可 节约10%-20%。此外，HVDC电源集成化程度高，占地面 积可节约60%-80%，使得数据中心可以部署更多服务器或 安全冗余空间。 劣势：直流电不存在过零点，与交流电相比灭弧相对困难， 因此直流配电所需的开关性能要求更高。初始投资相对较 高，需要专门的直流配电设备和线路。应用范围相对较窄， 主要适用于对直流供电有需求的设备和系统。

UPS：效率与灵活性不足成制约，系统复杂度增加故障风险。优势：能提供稳定的交流电源，输出电压和频率稳定度高， 可有效保护设备免受电网波动和干扰的影响。适用于各种 类型的负载，包括计算机、服务器、通信设备等。具备完 善的保护功能，如过载保护、短路保护、过压保护等。 劣势：效率相对较低，能量转换过程涉及两次变换，存在 能量损耗。结构复杂，采用冗余设计时，系统的并机设计 可能增加故障风险。扩容和改造相对繁琐，特别是整机形 式的UPS。供电可靠性较差，当市电中断时，对设备的供 电是由蓄电池放电再通过逆变模块输出，如果逆变模块损 坏，蓄电池也就无法供电给负载。

变压器成为AI电力系统刚需，出海挑战与机遇并存

数据中心等级决定供电架构，变压器起关键作用

变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置。变压器主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变 换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。以我国电力系统为例，发电机输出的中压电能需经变电环节升至110kV～1000kV，方能实现 大规模、低线损的远距离输电，电能输送至用电区域后需降至110kV～10kV分配和接入各类工业企业、公建设施等用电负荷较大的终端用户， 最后再降至低压380/220V分配和接入低压用户。 数据中心等级高低决定其供电架构选择。数据中心的配电变压器常选用干式变压器，采用2N或N+1配置。大型、中型和小型数据中心的一级负 荷的配电变压器采用2N配置，小型数据中心在采用避免单点故障的低压供电系统的前提下也可采用N+1配置。

数据中心配电变压器多以33kV规格为主

变压器可分为运行在主干电网的电力变压器和运行在终端的配电变压器两大类。1）电力变压器：用于较高电压的输电网升压降压应用(400kV、 200kV、110kV、66kV)，额定容量一般在200MVA以上。2）配电变压器：配电变压器用于低压配电网（11kV、6.6kV、3.3kV、440V、230V）， 作为终端用户连接的手段，可将电网中的高压电转换为可在工业企业、共建设施、城乡居民中使用的低压电力，一般额定小于200MVA。在网外， 光伏、风电以及储能等新能源也通过配电变压器升压并入电网，在数据中心中，配电变压器多以33kv及以下规格为主

柴油发电机组景气度高位运行

UPS与柴油发电机协同作用，BBU替代趋势加快

UPS与柴油发电机组合应用，形成可靠稳定的备电方案。《数据中心设计规范》规定，A级数据中心应由双重电源供电，并设置备用电源。当 主用电源发生故障时，备用电源应能承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。 BBU、UPS、柴油发电机、超级电容在数据中心的应急电源 方策中各自承担不同角色。当市电中断时，超级电容可以在极短时间内释放储存的电能，为服务器关键组件（如内存、缓存等）提供充足的 电力，防止数据丢失。同时超级电容还可抑制电压波动、消纳电网浪涌。UPS蓄电池在电力供应不稳定或中断时能迅速切换到储能装置供电 模式，为关键设备提供临时的电力支持。与超级电容相比，UPS响应偏慢但持续时间较长。柴油发电机响应时间极限在100秒左右，但持续时 间长、功率大，只要有充足的柴油供应便可持续供电。

BBU在数据中心的渗透率逐渐提高，有望取代UPS。BBU采用锂电池，相比铅酸电池UPS系统，具有转换效率高、能量密度大、输出功率高、 体积小等优势。BBU采用DC-DC转换方式，相较于UPS采用AC-DC的转换方式可以节约能耗。另外，BBU布置在IT机柜内部，相较于机柜外 的备电系统，响应时间更短。

柴油发电机为高等级数据中心标配，核心部件价值占比高

柴油发电机组是将柴油发动机与发电机组合的发电设备。其工作 原理是柴油发动机燃烧柴油，使化学能转化为机械能（压燃或火 花塞点燃推动活塞、曲轴旋转），发电机与发动机曲轴相连，利 用旋转机械能经电磁感应产生电能。由于机动性和独立性高，柴 油发电机常备用来作为应急备用电源。数据中心常用的柴油发电 机组一般为1.6-2MW的大功率机型，由柴油发动机、发电机、控 制系统三大关键部分构成。其中，发动机作为核心，成本占比达 60%-70%，包含机体、曲柄连杆机构等多个系统；发电机成本占 比约20%，由定子、转子等部件组成；控制系统成本占比约10%， 由控制屏、传感器等组成。

柴油发电机组是数据中心的主要后备电源之一，高等级数据中心 需强制配备。根据我国《GB50174-2017 数据中心设计规范》， 数据中心分为A、B、C三等级，A级数据中心应由双重电源供电， 并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电 机组；后备柴油发电机组的性能等级不应低于G3级；A级数据中 心发电机组应连续和不限时运行，发电机组的输出功率应满足数 据中心最大平均负荷的需要。B级数据中心发电机组的输出功率可 按限时500h运行功率选择。

报告节选：

编辑：火腿肠