AI數(shù)據(jù)中心的下一道障礙：冷卻、水和工人

本文作者：鮑奕龍

來源：硬AI

AI算力擴(kuò)張正將數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施矛盾推向新的臨界點(diǎn)。電力之外，冷卻系統(tǒng)、水資源消耗與勞動(dòng)力短缺正在成為制約下一輪數(shù)據(jù)中心建設(shè)的關(guān)鍵因素。

據(jù)硬AI，5月13日，巴克萊William Thompson團(tuán)隊(duì)研報(bào)指出，隨著服務(wù)器機(jī)架功率密度急劇攀升，冷卻系統(tǒng)的重要性已可與電力供應(yīng)并列。

英偉達(dá)GPU機(jī)架功率密度從2020年的10-25千瓦/機(jī)架躍升至Blackwell架構(gòu)的120-150千瓦/機(jī)架，并預(yù)計(jì)在2027年后的Rubin Ultra架構(gòu)中突破600千瓦/機(jī)架，冷卻系統(tǒng)是制約AI數(shù)據(jù)中心落地速度的核心變量之一。

（不同英偉達(dá)顯卡架構(gòu)對(duì)應(yīng)的服務(wù)器機(jī)架功率密度）

冷卻系統(tǒng)約占數(shù)據(jù)中心建筑外殼資本支出的10-15%，且這一比例仍在上升。與此同時(shí)，水資源的可獲取性、以及勞動(dòng)力短缺，正在共同重塑整個(gè)供應(yīng)鏈的投資機(jī)會(huì)與風(fēng)險(xiǎn)格局。

冷卻是數(shù)據(jù)中心的核心基礎(chǔ)設(shè)施

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器本質(zhì)上是"電力鍋爐"，幾乎所有流經(jīng)IT設(shè)備的電能最終都轉(zhuǎn)化為廢熱。冷卻失效意味著性能下降、設(shè)備損毀乃至業(yè)務(wù)中斷。

隨著AI工作負(fù)載主導(dǎo)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營，冷卻系統(tǒng)在資本支出中的占比正在上升。

巴克萊估計(jì)，冷卻約占數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本的10%至15%，并預(yù)計(jì)這一比例將隨液冷架構(gòu)的普及持續(xù)擴(kuò)大。

冷卻系統(tǒng)的核心工作分為兩步：首先是從芯片和服務(wù)器中提取熱量，其次是將熱量排放至外部環(huán)境。

（液體冷卻+水冷式制冷機(jī)+濕式冷卻塔系統(tǒng)的示意圖）

前者可通過空氣、液體或相變制冷劑實(shí)現(xiàn)；后者則包括直接排氣、風(fēng)冷冷凝或蒸發(fā)冷卻等多種路徑，其中蒸發(fā)冷卻是數(shù)據(jù)中心直接耗水的主要來源。

一個(gè)普遍存在的投資者誤解在于，將液體冷卻等同于數(shù)據(jù)中心高耗水的根源。

巴克萊指出，液冷系統(tǒng)通常在封閉回路中運(yùn)行，冷卻液一旦注入便持續(xù)循環(huán)，正常運(yùn)營期間不產(chǎn)生凈消耗。

事實(shí)上，液體冷卻可以通過提高冷卻液供水溫度，在很多情況下減少乃至消除對(duì)蒸發(fā)冷卻的依賴，從而降低直接水耗。

蒸發(fā)冷卻才是直接耗水的主因，水在蒸發(fā)過程中吸收熱量并以水蒸氣形式散失至大氣，形成持續(xù)性水資源消耗。

數(shù)據(jù)中心水足跡遠(yuǎn)超直接冷卻耗水

數(shù)據(jù)中心的水消耗問題比通常認(rèn)知的更為復(fù)雜。

據(jù)美國能源部數(shù)據(jù)，美國數(shù)據(jù)中心直接冷卻水耗從2014年約210億升增至2023年約660億升，年均增速約12%至13%。

若數(shù)據(jù)中心容量持續(xù)擴(kuò)張，美國能源部預(yù)測到2028年這一數(shù)字可能增至每年1450億至2750億升。

然而，直接冷卻水耗僅是冰山一角。更大體量的耗水來源于支撐數(shù)據(jù)中心運(yùn)營的發(fā)電環(huán)節(jié)——燃?xì)?、燃煤、核能等熱電廠均需大量冷卻用水。

以2023年美國數(shù)據(jù)中心約176太瓦時(shí)的電力需求為例，對(duì)應(yīng)的間接水耗接近8000億升。國際能源署（IEA）估計(jì)，全球數(shù)據(jù)中心綜合冷卻、發(fā)電及半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的年取水量約為5.2萬億升。

（基準(zhǔn)情景下，國際能源署對(duì)數(shù)據(jù)中心用水量的預(yù)測）

Meta披露的數(shù)據(jù)頗具說明性：該公司2024年購電所嵌入的間接水耗超過720億升，而直接現(xiàn)場取水量僅為56億升，兩者相差近13倍。

這一比例差距說明，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商在評(píng)估水資源影響時(shí)，若僅關(guān)注現(xiàn)場水耗效率指標(biāo)（WUE），將大幅低估其實(shí)際水足跡。

不同發(fā)電技術(shù)的耗水強(qiáng)度差異顯著，但隨著電網(wǎng)持續(xù)去碳化，發(fā)電側(cè)的間接水耗強(qiáng)度有望逐步下降。

傳統(tǒng)煤電廠每千瓦時(shí)取水量約70升，部分老式核電站的一次性冷卻取水量甚至超過每千瓦時(shí)100升；現(xiàn)代天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠僅約10至12升；風(fēng)能和太陽能光伏則幾乎不需冷卻取水。

超大規(guī)模云廠商的冷卻策略正在分化

四大超大規(guī)模運(yùn)營商在冷卻策略上出現(xiàn)顯著分歧，這對(duì)設(shè)備供應(yīng)商的選擇具有直接影響。

（超級(jí)云計(jì)算公司的用水效率指標(biāo)對(duì)比）

微軟已啟用以風(fēng)冷冷水機(jī)為核心的零蒸發(fā)冷卻數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)，目標(biāo)是2030年前實(shí)現(xiàn)全球運(yùn)營水資源"正效益"，同時(shí)將WUE較2022年基準(zhǔn)改善40%。

該公司2024財(cái)年水資源提取量同比下降約20%至約104億升，WUE（水使用效率）為0.27升/千瓦時(shí)，較2022年基準(zhǔn)提升18%。

Meta路徑相似。Meta最新一代AI數(shù)據(jù)中心以直接液冷結(jié)合干式冷卻器為核心，正常冷卻過程中幾乎不消耗水資源。

盡管2024年電力需求增長約21%，其取水量僅上升約7%至56億升，WUE為0.19升/千瓦時(shí)，其Beaver Dam威斯康星州數(shù)據(jù)中心全年耗水量甚至少于兩家餐廳的消耗。

谷歌的策略則明顯不同。巴克萊根據(jù)谷歌披露的電力消耗與取水?dāng)?shù)據(jù)測算，谷歌有效WUE超過約1.3升/千瓦時(shí)，顯著高于同行。

2024年數(shù)據(jù)中心取水量約420億升，同比增長約27%，與其電力需求增速完全同步。

谷歌堅(jiān)持在低水資源風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)部署蒸發(fā)冷卻，理由是此舉可降低電耗及相關(guān)間接用水和碳排放。

不過，谷歌在高水資源壓力地區(qū)已放棄蒸發(fā)冷卻，包括亞利桑那州梅薩、烏拉圭卡內(nèi)洛內(nèi)斯和英國沃爾瑟姆十字鎮(zhèn)的數(shù)據(jù)中心均采用風(fēng)冷設(shè)計(jì)。

亞馬遜方面，全球WUE 2024年同比改善17%至0.15升/千瓦時(shí)，AWS聲明蒸發(fā)冷卻可在夏季峰值期間降低25-35%的能耗。

亞馬遜同樣采用區(qū)域差異化策略，在高水資源風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)避免水冷設(shè)計(jì)。

五大投資誤區(qū)被逐一擊破

報(bào)告專門針對(duì)市場上普遍存在的認(rèn)知錯(cuò)誤進(jìn)行了糾偏，這對(duì)于評(píng)估相關(guān)設(shè)備企業(yè)的投資價(jià)值至關(guān)重要：

• 液冷≠用水多：如前所述，蒸發(fā)冷卻才是主要耗水源；液冷反而有助于節(jié)水。
• 浸沒冷卻并非終局：直接芯片液冷（D2C）已成為超大規(guī)模部署標(biāo)準(zhǔn)；浸沒冷卻因運(yùn)維復(fù)雜、OEM生態(tài)支持不足、兩相系統(tǒng)面臨PFAS監(jiān)管壓力等問題，仍屬小眾方案。
• 風(fēng)冷不會(huì)消失：除全浸沒冷卻外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、內(nèi)存、存儲(chǔ)等仍依賴風(fēng)冷；液冷數(shù)據(jù)中心是混合架構(gòu)，風(fēng)冷將長期共存。

（風(fēng)冷式計(jì)算機(jī)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)示意圖）

• 冷水機(jī)需求未被顛覆：英偉達(dá)CEO黃仁勛"45°C供液溫度無需冷水機(jī)"的表態(tài)被市場過度解讀，導(dǎo)致HVAC設(shè)備股短暫承壓。
• 但在炎熱氣候、季節(jié)性峰值及冗余需求下，冷水機(jī)仍不可或缺。同時(shí)，隨著運(yùn)營商從濕冷塔轉(zhuǎn)向風(fēng)冷方案，風(fēng)冷冷水機(jī)需求有望進(jìn)一步增長。

（計(jì)算機(jī)房空氣處理機(jī)組+C型水冷式制冷機(jī)+濕式冷卻塔系統(tǒng)的示意圖）

• LG Electronics預(yù)測數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷及液冷冷水機(jī)市場規(guī)模將從2026年的16億美元擴(kuò)張至2030年的127億美元。
• 余熱利用難以規(guī)模化：受溫度不匹配、市政協(xié)調(diào)復(fù)雜及資本投入高等制約，余熱回用主要在北歐區(qū)域供熱體系中具備條件，不會(huì)成為冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流考量。

勞動(dòng)力短缺：被低估的工期與成本風(fēng)險(xiǎn)

冷卻系統(tǒng)的安裝高度依賴現(xiàn)場專業(yè)技工，是數(shù)據(jù)中心各子系統(tǒng)中勞動(dòng)密集程度最高的環(huán)節(jié)。

液冷回路或冷水機(jī)組的安裝涉及復(fù)雜的泵、閥門、熱交換器和定制管道網(wǎng)絡(luò)，需要水管工、管道安裝工、暖通空調(diào)技術(shù)員、焊工、電氣工程師及調(diào)試工程師等多工種協(xié)同作業(yè)。

這與插接預(yù)制電力模塊或服務(wù)器機(jī)架的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)截然不同。

Crusoe是美國德克薩斯州阿比林星際之門項(xiàng)目的開發(fā)商，據(jù)該公司CEO Chase Lochmiller在斯坦福大學(xué)的公開演講中披露，數(shù)據(jù)中心開發(fā)的勞動(dòng)力成本約為每兆瓦470萬美元，約占含自備電廠總成本的25%。

（Crusoe披露的數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本占比）

他指出，星際之門工地日均工人數(shù)量約9000人，另一處德克薩斯州Claude項(xiàng)目的工人數(shù)量達(dá)3500人，超過該鎮(zhèn)總?cè)丝诘膬杀丁?/strong>由于項(xiàng)目地處偏遠(yuǎn)，Crusoe不得不從其他地區(qū)招募工人并提供大量留人激勵(lì)。

勞動(dòng)力短缺帶來多重風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)會(huì)：