電力使用效率（PUE）已成為數(shù)據(jù)中心效率的決定性指標(biāo)，隨著人工智能工作負(fù)載推動設(shè)施達(dá)到前所未有的功耗水平。根據(jù)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，僅冷卻系統(tǒng)就可能占數(shù)據(jù)中心總電力消耗的30-40%。

鑒于運(yùn)營支出的關(guān)鍵作用，行業(yè)效率計劃重點(diǎn)關(guān)注冷卻系統(tǒng)是可以理解的。如果設(shè)施近一半的能源使用與散熱相關(guān)，那么改善熱管理方式似乎是提升性能的直接路徑。

研發(fā)推動創(chuàng)新浪潮

研發(fā)工作推動了一波有意義的創(chuàng)新。隨著風(fēng)冷系統(tǒng)難以跟上現(xiàn)代AI加速器的熱輸出，液體冷卻已從小眾部署轉(zhuǎn)向主流應(yīng)用。直接芯片冷卻和浸沒式冷卻正成為支持更高機(jī)架密度同時保持能耗在可接受范圍內(nèi)的必要技術(shù)。

這些方法減少了從處理器中移除熱量所需的功率，使數(shù)據(jù)中心能夠在傳統(tǒng)空氣冷卻系統(tǒng)無法承受的溫度下運(yùn)行。

其他創(chuàng)新旨在重塑冷卻能源的消耗時機(jī)，而不是提高其產(chǎn)生效率。熱能儲存系統(tǒng)（如冰電池）在低電力需求期間凍結(jié)水體，并在高峰時段使用儲存的冷卻容量。通過時移冷卻負(fù)載，這些系統(tǒng)減少峰值功耗并降低整體運(yùn)營成本，即使它們不能完全消除對機(jī)械冷卻的需求。

行業(yè)正在取得實(shí)際進(jìn)展，但這些技術(shù)也暴露了逐個組件改進(jìn)效率方法的局限性。根據(jù)Uptime Institute的2025年全球數(shù)據(jù)中心調(diào)查，平均PUE改進(jìn)正趨于平緩，特別是在受傳統(tǒng)設(shè)計約束的成熟設(shè)施中。許多運(yùn)營商已通過改進(jìn)設(shè)備效率和氣流管理獲得了最容易實(shí)現(xiàn)的收益。在不對設(shè)施設(shè)計和供電方式進(jìn)行根本性改變的情況下，進(jìn)一步的減少越來越難以實(shí)現(xiàn)。

重新審視PUE視角

PUE的下一個重要改進(jìn)不會來自更好的冷卻器或更先進(jìn)的冷卻硬件。相反，它們需要轉(zhuǎn)變視角，擴(kuò)展運(yùn)營商對PUE、冷卻系統(tǒng)和能源采購的思考方式。越來越多的設(shè)計開始使用數(shù)據(jù)中心的整個能源鏈來創(chuàng)造新型效率收益，而不是將冷卻視為附屬于電力運(yùn)營支出的獨(dú)立子系統(tǒng)。

這種轉(zhuǎn)變指向"綜合PUE框架"。在這種方法下，效率不僅通過冷卻設(shè)備的運(yùn)行效果來衡量，還要考慮通過系統(tǒng)級設(shè)計選擇可以避免或抵消多少主動冷卻需求。目標(biāo)是通過捕獲和重新利用原本會浪費(fèi)的能源來減少對機(jī)械冷卻的需求。

幾種新興實(shí)踐展示了這種思維模式。自然冷卻架構(gòu)利用環(huán)境條件在室外溫度允許時減少對制冷的依賴，在不增加熱交換系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下降低冷卻能耗。廢熱再利用項(xiàng)目更進(jìn)一步，將芯片的低品位熱量輸出到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)中，特別是在較冷的氣候區(qū)域。雖然這些項(xiàng)目可能不會顯著改變設(shè)施紙面上的PUE，但通過確保數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的熱量替代原本會在其他地方消耗的能源，提高了整體能源效率。

數(shù)據(jù)中心鄰近優(yōu)勢

一個較不為人熟知但越來越相關(guān)的例子來自燃料處理基礎(chǔ)設(shè)施。天然氣通過高壓輸送管道輸送到工業(yè)場所，使用前必須降低壓力。壓力降低通常由調(diào)節(jié)壓力但不回收能源的閥門處理。用渦輪膨脹發(fā)電機(jī)替換這些閥門可以在壓力降的同時發(fā)電，同時因氣體膨脹產(chǎn)生冷排氣流。

位于這些管道減壓站附近的數(shù)據(jù)中心，特別是2-5兆瓦范圍的小型設(shè)施，可以將這種冷排氣與它們產(chǎn)生的熱量進(jìn)行交換，以抵消部分或在某些配置中抵消大部分冷卻負(fù)荷。同時，渦輪膨脹器在不增加燃料消耗的情況下產(chǎn)生內(nèi)部電力。這在所有情況下都不能消除對傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的需求，也不適用于每個數(shù)據(jù)中心。相反，它說明了當(dāng)設(shè)計師識別場地已存在的能源流并將其整合到冷卻策略中時，如何實(shí)現(xiàn)綜合PUE收益。

隨著時間推移，靠近減壓基礎(chǔ)設(shè)施可能成為數(shù)據(jù)中心選址的關(guān)鍵考慮因素，特別是在電網(wǎng)電力受限、昂貴或難以互聯(lián)的地區(qū)。然而，這種方法不限于新開發(fā)項(xiàng)目。美國擁有超過300萬英里的天然氣輸送和分配管道，數(shù)百個現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的位置足夠接近減壓站以支持這種系統(tǒng)級集成。在這些情況下，機(jī)會在于改造現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施而不是重新選址或重建設(shè)施。

隨著數(shù)據(jù)中心演進(jìn)以滿足AI需求，PUE將越來越多地反映架構(gòu)決策以及設(shè)備規(guī)格和要求。綜合PUE方法鼓勵設(shè)計師超越冷卻器設(shè)備，提出更根本的問題：能源如何在這個設(shè)施中流動，以及如何利用它來創(chuàng)造最有效的冷卻解決方案？

Q&A

Q1：什么是綜合PUE框架？它與傳統(tǒng)方法有何不同？

A：綜合PUE框架是一種新的效率衡量方法，不僅考慮冷卻設(shè)備的運(yùn)行效果，還要評估通過系統(tǒng)級設(shè)計選擇可以避免或抵消多少主動冷卻需求。與傳統(tǒng)逐個組件改進(jìn)的方法不同，它著眼于數(shù)據(jù)中心的整個能源鏈來創(chuàng)造效率收益。

Q2：渦輪膨脹發(fā)電機(jī)如何幫助數(shù)據(jù)中心降低冷卻負(fù)荷？

A：渦輪膨脹發(fā)電機(jī)替換天然氣管道的傳統(tǒng)減壓閥，在降低氣體壓力的同時發(fā)電，并因氣體膨脹產(chǎn)生冷排氣流。數(shù)據(jù)中心可以利用這種冷排氣與自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行交換，從而抵消部分或大部分冷卻負(fù)荷，同時獲得額外的電力供應(yīng)。

Q3：為什么傳統(tǒng)的PUE改進(jìn)方法正在遇到瓶頸？

A：根據(jù)Uptime Institute調(diào)查，傳統(tǒng)方法的PUE改進(jìn)正趨于平緩，特別是在成熟設(shè)施中。許多運(yùn)營商已通過改進(jìn)設(shè)備效率和氣流管理獲得了最容易實(shí)現(xiàn)的收益，進(jìn)一步的減少需要對設(shè)施設(shè)計和供電方式進(jìn)行根本性改變才能實(shí)現(xiàn)。