用於人工智慧資料中心電源和冷卻組件的工程塑料

資料中心作為關鍵基礎設施，正在全球範圍內蓬勃發展，為雲端服務、視訊串流、生成式人工智慧等應用提供支援。同時，人工智慧日益增長的運算需求也導致資料中心的電力消耗迅速增加。國際能源總署（IEA）預測，2024年全球資料中心的電力消耗約為415太瓦時（TWh），到2030年將達到約945太瓦時。^*1　
高速、高密度人工智慧運算設施的擴張被認為是主要因素之一。因此，資料中心正日益被視為社會基礎設施，而不僅僅是資訊通信技術設施，必須與電力基礎設施一併考慮。
為因應日益增長的需求，各國政策也不斷調整。政策重點正從單純推廣資料中心建設轉向確保穩定接收大量電力、高效利用能源以及永續營運。​^​​
在歐盟，根據《能源效率指令》，規模超過一定標準的資料中心需要履行與能源績效和水足跡相關的報告義務。歐盟委員會也考慮建立一個通用資料庫、一套評級系統和最低性能標準。^*2　
換句話說，未來的資料中心不僅要根據其運算能力進行評估，還要根據其在電力、水資源和環境影響方面的管理效率進行評估。^​​​​

*1：Energy and AI – Analysis – IEA*2：Energy performance of data centres – Energy – European Commission ​​​​

在傳統的資料中心，通常會安裝大量相對標準的伺服器，並使用暖通空調設備來管理整個機房。然而，近年來，配備大量GPU的AI伺服器的引入，顯著提高了每個機架的功率密度和發熱量。
國際能源總署指出，到2030年，用於人工智慧的加速運算伺服器將佔資料中心電力需求成長的很大一部分，同時也指出，由此產生的冷卻和其他基礎設施需求也不容忽視。^*3　
因此，資料中心的發展不再只是增加伺服器數量，而是更致力於提高每個機架和系統能夠處理的功率和熱量。​
因此，資料中心內部的設備正在從簡單的 IT 設備排列轉變為結合了穩定供電系統、避免斷電或電壓驟降期間停機的冗餘系統以及有效散熱機制的配置。​
美國能源部的設計指南也將資料中心設計定義為IT設備、暖通空調、冷卻和電氣系統的整合優化。它提出了一種全面的設計方法，包括配電單元（PDU）和不間斷電源（UPS）等電氣系統、氣流管理和液冷設備。^*4

*3：Energy and AI – Analysis – IEA*4：Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design

在資料中心，防止斷電比在一般建築設施中更為關鍵。因此，基於冗餘配置（例如 2N 和 N+1）的電源設計至關重要。此類設計不僅能有效率地轉換和分配輸入電力到各個設施，還能確保在發生故障或斷電時系統持續運作。
美國能源部的設計指南將資料中心電源系統描述為一種結合了市電、備用發電機、不間斷電源 (UPS)、配電單元 (PDU) 及相關設備的配置。該指南還提出了一種採用多個 UPS 和 PDU 以確保冗餘的方法。^*5　
此外，由於UPS在低負載率下效率會降低，因此使用多個小型UPS或模組化UPS可以有效維持適當的負載率。^*5,6能源之星（ENERGY STAR）也指出，降低UPS損耗並合理管理負載率可直接有助於節能。對於某些型號，使用節能模式還可以降低電費。^*6,7　
因此，未來的資料中心，重要的設計考量不僅包括使用多少電力，還包括如何在設施內分配電力、如何減少損耗以及如何配置備用系統。
為因應人工智慧資料中心的快速擴張，美國能源部2024年的一項建議指出，應支援資料中心採用新的備用電源策略和靈活的運作方式。^*8該建議表明，不僅需要考慮傳統的緊急電源，還需要考慮電池儲能、替代電源、長時儲能以及電網服務的使用。此外，該建議也指出，虛擬電廠和微電網可以作為起點。^*8　
這一趨勢表明，未來的資料中心正在從單純的耗電設施轉變為必須執行高級電源管理並支援高負載的基礎設施。

*5：Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*6：Reduce Energy Loss from Uninterruptible Power Supply Systems*7：Uninterruptible Power Supplies*8：Powering AI and Data Center Infrastructure: Recommendations

在資料中心，消耗的大部分電力最終都會轉化為熱量，因此冷卻是營運的核心部分。
美國能源部設計指南將氣流管理視為一項重要措施，旨在防止送入的冷空氣與伺服器排出的熱量混合，並將所需的冷卻量輸送到所需位置。^*9　
尤其是在高密度資料中心中，冷熱通道配置（將機架的進氣側和排氣側清晰分隔開來）是一項基本概念。合理的配置可以降低營運成本、減少處理中斷的風險並提高功率密度。
在風冷資料中心，即使是輕微的空氣洩漏或氣流路徑擾動也會顯著影響冷卻效率。美國能源部 (DOE) 和能源之星 (ENERGY STAR) 指出，防止冷空氣和廢氣混合、抑制不必要的旁路氣流以及管理機架內外開口是有效的節能措施。^*10　
能源之星指出，在某些情況下，妥善遮蓋空置的機架空間可以節省每個機架 1% 至 2% 的能源。美國能源部案例也證實，改善氣流管理可以提高冷卻能力並降低風扇功耗。^*11　
因此，資料中心的重要設計要素不僅包括大規模冷卻設備，還包括機架周圍的精確氣流控制和空氣洩漏路徑的抑制。​
在高密度伺服器中，內部伺服器風扇的功耗不容忽視。美國能源部 (DOE) 的設計指南指出，隨著伺服器進氣溫度的升高，內部風扇的轉速也會增加。例如，進氣溫度從 77°F 升高到 91°F 時，風扇轉速會增加約 30%，風扇功率也會增加一倍以上。
因此，與其簡單地提高室溫，不如穩定伺服器進風口的熱環境更為重要。對於高發熱量的GPU伺服器，美國能源部也建議考慮採用直接液冷。展望未來，利用液體而非僅依靠空氣流動來散熱的機制預計將變得越來越重要。

*9：Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*10：Manage Airflow for Cooling Efficiency | ENERGY STAR*11：DOE AM Tool–User’s Manual v3.1 (7-25-2023).pdf

單憑電力消耗無法全面評估資料中心對環境的影響。
美國能源部指出，在使用水冷或冷卻水塔的資料中心中，用水量不僅受IT設備產生的熱量影響，也受各級散熱效率的影響。能源部將用水效率（WUE）作為評估指標。^*12　
歐盟也已建立了一套報告系統，用於收集和發布水足跡數據以及能源績效數據。^*13未來，資料中心的評估標準不僅包括其運算能力，還包括其運作效率，即在最大限度減少電力損耗和用水量的情況下，如何高效運作。
因此，未來的資料中心不僅需要提高伺服器效能，還需要高效的電力傳輸、在斷電期間的穩定運作以及優化的空氣和液體流動以有效散熱。​
換句話說，我們認為我們已經進入了一個時代，在這個時代，資料中心的競爭力不僅取決於 IT 設備，還取決於周圍基礎設施的設計能力：電力、熱量和水的管理方式。

*12：Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*13：Energy performance of data centres – Energy – European Commission