数据中心正面临日益严峻的电力挑战，且缺乏简单的解决方案。国际能源署(IEA)预计，全球数据中心的电力消耗将从2024年的415太瓦时(TWh)激增至2030年的945太瓦时。这一增长主要由高密度GPU机架、人工智能(AI)工作负载以及超大规模数据中心的扩张所驱动，这些因素正将传统电力基础设施推向极限。
　　
　　为了应对这一挑战，数据中心设施所有者不得不寻求新的电力输送方式，以提高硬件运行效率。一种极具前景的方案是采用直流(DC)电源，从而省去中间的电力转换环节。
　　
　　直流数据中心在设施入口处将来自电网的交流(AC)电转换为直流电，然后在内部进行配电。这种方案正日益受到数据中心所有者、硬件供应商及整个数据中心行业的青睐。
　　
　　本文将探讨直流电源在数据中心的应用优势，重点分析在人工智能(AI)工作负载激增及超大规模数据中心扩张导致电力需求攀升的背景下，直流电源如何提升能效并降低成本。
　　
　　交流电与直流电：了解两者差异
　　
　　要理解为何直流数据中心可能成为未来的发展趋势，首先需要了解这两种电源类型的区别。交流电(AC)的电流方向呈周期性变化，这使其非常适合长距离输电;而直流电(DC)则沿单一方向流动，且是大多数科技硬件所使用的电源类型。
　　
　　电力转换之所以必不可少，是因为公用电网输送的是交流电，而硬件设备则需要直流电。然而，每一次转换都会消耗能量并产生额外成本。在传统数据中心，电力经由交流电网输入，在不间断电源(UPS)处转换为直流电以给备用电池充电;随后，电力再次转换为交流电以便在设施内分配，最后在各硬件设备的电源模块内部又被转换回直流电。
　　
　　每一次转换都会造成能量损耗并产生额外热量。这导致设备需要消耗更多电力，进而产生更多热量。这种“自发热”循环不仅造成了电力浪费，还耗费了时间、能源和资金。
　　
　　直流电源在数据中心基础设施中的优势
　　
　　与传统的交流配电方式相比，直流电源为数据中心运营商带来了一系列基础设施层面的优势，例如减少能量损耗、降低基础设施复杂性以及降低冷却需求。
　　
　　减少转换环节，降低能源损耗
　　
　　采用直流(DC)电源的能效优势显而易见：减少流程中的转换环节即可节约能源。直流数据中心架构省去了多个转换节点(如UPS单元和PDU变压器处的转换)，与传统供电流程相比，可将能源损耗降低7%至20%。
　　
　　若将这一优势扩展至主机托管或超大规模数据中心，其累积效益将十分可观。开放直流联盟(ODCA)董事会主席Hartwig Stammberger在接受《Data Center Knowledge》采访时指出，对于总容量为1吉瓦(GW)的数据中心园区而言，能效每提升1%，即可减少约10兆瓦(MW)的损耗。目前，数据中心直流部署通常采用48VDC或400VDC标准。开放计算项目(OCP)的“Mt.Diablo”计划已展示了支持1MW机柜的400VDC机柜级配电方案。
　　
　　降低基础设施复杂性
　　
　　转换环节的减少意味着组件和布线需求的降低，以及整体供电流程的简化。直流配电省去了传统设施中常见的复杂监控与负载平衡需求，从而减少了设施管理所需的软件和人力资源。这种简化对于管理日益高密度、高能耗硬件设施的所有者和运营商而言，具有极高的实际价值。
　　
　　降低冷却需求
　　
　　集成直流基础设施有助于消除各转换节点处的热源。转换环节减少意味着设施内部发热量降低，从而使暖通空调(HVAC)系统能够更高效地运行。此外，由于冷却自身所需的能耗降低，设施的电源使用效率(PUE)指标也能得到改善。
　　
　　更高的设备密度
　　
　　数据中心能源专业中心的研究发现，由于整体环境温度较低，直流数据中心能够支持更高的设备密度。这使得直流架构特别适用于超大规模数据中心以及大量部署GPU的算力中心。
　　
　　延长电池寿命并优化备用电源性能
　　
　　在原生直流架构中，电池可直接连接至直流基础设施，无需像交流(AC)系统那样进行额外的转换，从而实现备用电源更高效的充放电。这不仅减少了电池更换频率从而降低成本，还能确保即使在依靠电池供电时也能保持更可靠的运行时间。
　　
　　更契合可再生能源应用
　　
　　太阳能电池板和现场电池储能系统本身即产生并存储直流电，因此能更轻松地集成到直流供电的数据中心中。设施所有者既能提高可再生能源的使用比例，又能降低整体运营成本。可再生能源尚无法稳定地为数据中心供电，但将其更多地纳入数据中心的能源结构，能提升系统的灵活性。
　　
　　直流(DC)数据中心面临的挑战
　　
　　尽管直流数据中心具有诸多显著优势，但全面转向直流供电并非一帆风顺。全球标准不统一是最大的挑战，因为现行监管法规和电气规范往往滞后于技术的发展演进。此外，改造现有的交流(AC)数据中心需要投入大量资金和基础设施资源，且以直流供电为主的硬件生态系统尚处于成熟阶段。
　　
　　在不久的将来，大多数设施所有者和运营商可能会考虑采用分阶段实施或混合供电的方案，以便在无需彻底改造的情况下获得直流供电的益处。全面采用直流供电方案最适合新建项目或大规模设施升级，因为此类方案可从设计之初便将直流供电架构纳入考量。
　　
　　行业发展势头强劲
　　
　　构建直流供电数据中心在科技界已不再是一个边缘概念。谷歌(Google)、ABB、西门子(Siemens)及开放计算项目(Open Compute Project)已组建工作组，共同探讨直流电源如何为当前及未来的数据中心供电。与此同时，其他相关团体正致力于制定数据中心低压直流供电的标准化方案，并探索如何协调各国际监管机构之间的直流配电标准。
　　
　　在高压领域，伊顿(Eaton)与英伟达(Nvidia)正联手开发800V直流(800VDC)参考架构，旨在满足下一代人工智能(AI)工作负载对机架功率密度(达到1兆瓦及以上)的需求。
　　
　　编辑：Harris