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

據(jù)硬AI，5月13日，巴克萊William Thompson團隊研報指出，隨著服務器機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并列。

英偉達GPU機架功率密度從2020年的10-25千瓦/機架躍升至Blackwell架構(gòu)的120-150千瓦/機架，并預計在2027年后的Rubin Ultra架構(gòu)中突破600千瓦/機架，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。

（不同英偉達顯卡架構(gòu)對應的服務器機架功率密度）

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，水資源的可獲取性、以及勞動力短缺，正在共同重塑整個供應鏈的投資機會與風險格局。

冷卻是數(shù)據(jù)中心的核心基礎設施

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

隨著AI工作負載主導數(shù)據(jù)中心運營，冷卻系統(tǒng)在資本支出中的占比正在上升。

巴克萊估計，冷卻約占數(shù)據(jù)中心基礎設施建設成本的10%至15%，并預計這一比例將隨液冷架構(gòu)的普及持續(xù)擴大。

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

（液體冷卻+水冷式制冷機+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現(xiàn)；后者則包括直接排氣、風冷冷凝或蒸發(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行，冷卻液一旦注入便持續(xù)循環(huán)，正常運營期間不產(chǎn)生凈消耗。

事實上，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)中心水足跡遠超直接冷卻耗水

數(shù)據(jù)中心的水消耗問題比通常認知的更為復雜。

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)擴張，美國能源部預測到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)中心運營的發(fā)電環(huán)節(jié)——燃氣、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太瓦時的電力需求為例，對應的間接水耗接近8000億升。國際能源署（IEA）估計，全球數(shù)據(jù)中心綜合冷卻、發(fā)電及半導體供應鏈的年取水量約為5.2萬億升。

（基準情景下，國際能源署對數(shù)據(jù)中心用水量的預測）

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)中心運營商在評估水資源影響時，若僅關(guān)注現(xiàn)場水耗效率指標（WUE），將大幅低估其實際水足跡。

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

傳統(tǒng)煤電廠每千瓦時取水量約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100升；現(xiàn)代天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠僅約10至12升；風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)模運營商在冷卻策略上出現(xiàn)顯著分歧，這對設備供應商的選擇具有直接影響。

（超級云計算公司的用水效率指標對比）

微軟已啟用以風冷冷水機為核心的零蒸發(fā)冷卻數(shù)據(jù)中心設計，目標是2030年前實現(xiàn)全球運營水資源"正效益"，同時將WUE較2022年基準改善40%。

該公司2024財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，較2022年基準提升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，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數(shù)據(jù)測算，谷歌有效WUE超過約1.3升/千瓦時，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。

谷歌堅持在低水資源風險地區(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)中心均采用風冷設計。

亞馬遜方面，全球WUE 2024年同比改善17%至0.15升/千瓦時，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，在高水資源風險地區(qū)避免水冷設計。

五大投資誤區(qū)被逐一擊破

報告專門針對市場上普遍存在的認知錯誤進行了糾偏，這對于評估相關(guān)設備企業(yè)的投資價值至關(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)模部署標準；浸沒冷卻因運維復雜、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。
• 風冷不會消失：除全浸沒冷卻外，網(wǎng)絡設備、內(nèi)存、存儲等仍依賴風冷；液冷數(shù)據(jù)中心是混合架構(gòu)，風冷將長期共存。

（風冷式計算機機房空調(diào)系統(tǒng)示意圖）

• 冷水機需求未被顛覆：英偉達CEO黃仁勛"45°C供液溫度無需冷水機"的表態(tài)被市場過度解讀，導致HVAC設備股短暫承壓。
• 但在炎熱氣候、季節(jié)性峰值及冗余需求下，冷水機仍不可或缺。同時，隨著運營商從濕冷塔轉(zhuǎn)向風冷方案，風冷冷水機需求有望進一步增長。

（計算機房空氣處理機組+C型水冷式制冷機+濕式冷卻塔系統(tǒng)的示意圖）

• LG Electronics預測數(shù)據(jù)中心風冷及液冷冷水機市場規(guī)模將從2026年的16億美元擴張至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，不會成為冷卻系統(tǒng)設計的主流考量。

勞動力短缺：被低估的工期與成本風險

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)中勞動密集程度最高的環(huán)節(jié)。

液冷回路或冷水機組的安裝涉及復雜的泵、閥門、熱交換器和定制管道網(wǎng)絡，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)。

這與插接預制電力模塊或服務器機架的標準化作業(yè)截然不同。

Crusoe是美國德克薩斯州阿比林星際之門項目的開發(fā)商，據(jù)該公司CEO Chase Lochmiller在斯坦福大學的公開演講中披露，數(shù)據(jù)中心開發(fā)的勞動力成本約為每兆瓦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項目的工人數(shù)量達3500人，超過該鎮(zhèn)總?cè)丝诘膬杀丁?/strong>由于項目地處偏遠，Crusoe不得不從其他地區(qū)招募工人并提供大量留人激勵。

勞動力短缺帶來多重風險與機會：