自大规模计算兴起以来，数据中心的部署速度一直相当稳定。在AI成为现代计算基础之前，大多数设施的配置主要用于处理企业网络应用、存储和传统云服务。

3至8千瓦的功率密度足以供应机架——即容纳服务器和路由器硬件的金属结构——机架功率密度很少超过每机架10-15千瓦。电力需求稳步增长，但电力电子技术、虚拟化以及更高效的冷却技术的进步有效地抵消了这种增长。在这种可预测的情况下，能源规划专注于冗余性、运行时间和成本控制，对电力供应能力并无特别担忧。

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如今，AI的出现正在打破这种平衡。训练和运行现代AI模型——特别是大型语言模型和复杂的科学模拟——需要围绕GPU、张量处理器及其他特定加速器构建的大规模并行计算。

因此，这些系统持续推动机架功率密度超过60千瓦，在某些超大规模数据中心中，高要求的应用每机架功率已超过100千瓦。从园区层面看，曾经消耗20-40兆瓦的单个数据中心现在必须处理100兆瓦或更多，且正在向千兆瓦级别迈进。

AI工作负载的能源挑战

数据中心日益增长的能源需求反映了AI在社会中的独特作用，包括改进工业流程、提高生产力、帮助发现新材料和新药，以及构建更精确的气候模型。曾经作为例外情况执行的任务，如今已成为工业、科学和金融等多个领域的基础。

回顾工业历史，这是第一次能源需求以如此快的速度增长，不仅需要新的能源来补充现有供应，还需深入审视数据中心内部的能源分配方式，以及如何优化单个转换步骤以实现整体效率最大化。2025年，数据中心约占全球电力消耗的2%，而AI相关工作负载占数据中心总能源需求的20%。近期预估，到2030年，这一比例将达到45%。

必须遵守环保协议的要求使得这一挑战更加严峻。可再生能源整合、新颖的供电架构以及全新的能源类型，不仅仅是渐进式的改进，更是下一代AI基础设施的重要组成部分。

大规模采用支持AI的数据中心(例如用于训练LLM)，是工作负载从传统IT向密集部署加速器的高能耗计算设施转型的结果。

根据国际能源署的数据，到2030年，所有数据中心的用电量预计将从2024年的415太瓦时增至945太瓦时。大规模获取可靠且可持续的能源是一项重大挑战。这不仅是容量问题，还影响着电网稳定性、碳排放、局部能源成本以及战略选址。

可再生能源整合

为减少碳足迹，数据中心运营商正签订长期合同以确保可再生能源供应。例如，Meta公司已签约购买了1800兆瓦的太阳能和风能，但这并非孤例。

拥有丰富自然资源的北欧国家(如水电资源丰富的挪威)正成为极具吸引力的数据中心选址地。利用更广泛的可再生资源(太阳能、风能、沼气燃料电池、水电)，并通过与传统电网连接以及化石燃料备用发电机解耦，可以提高韧性。

新型供电架构

能源战略的支柱之一是优化电力分配。传统数据中心使用相对较长且低效的转换链，每一步都会产生损耗。一个新趋势是采用800伏直流总线，它简化了供电架构，并通过以较低电流、更靠近负载的方式输送直流高压电，从而显著减少损耗。

其好处不仅是更高的电能效率，还包括更低的冷却需求、更小的模块尺寸，从而有助于构建更大规模的AI集群。

寒冷气候与热回收

鉴于数据中心运行会产生大量热量，将其设在寒冷地区是一个直观且明智的做法。例如瑞典、芬兰和冰岛等国家，其气候提供了丰富的冷却能力，有时还能获得可再生电力。另一个优势是可以通过区域供热系统，将废热回收再利用以温暖社区，这是用工业副产品抵消家庭供暖需求的一个很好例证。

冷却可选，电力必需

反常的是，极端炎热的国家也可能成为数据中心的选址地。

俯瞰沙特阿拉伯的海岸线及其部分中部平原，可以看到大量光伏装置遍布大片干旱土地，以极具竞争力的成本(每千瓦时接近1美分)产生数百兆瓦的太阳能电力。在王储穆罕默德·本·萨勒曼的直接支持下，该国的战略是利用其丰富的资源——土地和太阳辐射——生产超低成本电力，为下一代超大规模数据中心供电。

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随着陆地资源(无论是土地还是能源)日益稀缺，有远见者正将目光投向太空，寻求长期解决方案。建造轨道数据中心可以获得持续、无限的太阳能，同时利用太空真空作为几乎无限的热沉进行散热。

一些初创公司，如Starcloud，已经测试了早期演示系统，该系统由部署在轨道计算平台上的AI加速器组成。而像Axiom Space这样的公司，则正在国际空间站附近评估实际的计算模块。更未来派的方法则以月球作为大规模AI设施的基础，这在一定程度上反映了超级大国对月球探索兴趣的复苏。

尽管面临巨大挑战——暴露于高能宇宙粒子、20-40毫秒的端到端延迟(足以阻碍实时推理)以及高昂的发射成本——轨道数据中心清楚地表明，为了满足AI预期的能源需求，业界愿意走多远。

不要让地球不堪重负

随着AI日益普及，数据中心将越来越成为数字经济的核心，也是其能源最密集的基础设施。管理这一转型将需要范式转变：可以通过专门的供应协议和现场发电来扩展可再生能源。

同时，电力电子技术将通过新的800伏直流架构和创新冷却技术帮助提高结构效率。将数据中心设在寒冷国家或电力廉价且丰富的地区是另一个现实选择。此外，部署现场燃气轮机或小型模块化反应堆将补充间歇性可再生能源，而电网现代化和需求敏感管理对于将数据中心融入更广泛的能源基础设施是必要的。