一、柜外电源：AIDC 用电功率激增，800VDC 成为发展趋势
英伟达 GPU 算力芯片持续升级，TDP 功耗快速上升。英伟达于 2017 年推出 Volta 架构的 GPU V100，FP16 稠密算力仅有 125 TFLOPS，TDP 功耗为 300W。2022- 2023 年英伟达陆续推出基于 Hopper 架构的 H100 和 H200 芯片，FP16 稠密算 力提升至 1979 TFLOPS，TDP 功耗提升至 700W。2024-2025 年英伟达推出基 于Blackwell架构的B100/B200/B300芯片，FP4稠密算力最高提升至27 PFLOPS， TDP 功耗最高提升至 1400W，英伟达预计 2026 年开始推出基于 Rubin 架构的 下一代算力芯片 R100，FP4 稠密算力达 50 PFLOPS，TDP 功耗达 2300W，预 计 2027 年推出 R300 Ultra 芯片，FP4 稠密算力进一步提升至 100PFLOPS，TDP 功耗达到 3600W。从 V100 到 R300 Ultra，十年时间，英伟达 GPU 稠密算力提 升了 800 倍，TDP 功耗提升了 12 倍。
英伟达主要机柜产品功率持续提升。英伟达 DGX-2 机柜采用 V100 GPU 16 个， 单机柜提供 2PFLOPS FP16 算 力 ， 单 柜 满 载 功 率 10KW ， DGX A100/H100/B200/B300 机柜均采用 8 卡 GPU 模式，提供训练算力最高达 72PFLOPS FP8，单柜满载功率最高 14.5KW。而对于大规模 AIDC 来说，英伟 达主推 NVL72 整机柜，单柜包巴 72 个 GPU，性能大幅提升，GB200/GB300 NVL72 整机柜可提供 1440 PFLOPS FP4 训练算力，单机柜满载功率均在 125KW 以上。对于下一代 Rubin 系列 GPU，英伟达 VR200 NVL72 整机柜单柜满载功率 大于 200kW，NVL576 Kyber 机柜则达到 600KW。单柜功率的大幅提升对于供 电提出更高的要求，800VDC 成为发展趋势。
英伟达主要机柜产品功率持续提升。随着 GPU 技术的革命性发展，数据中心已 转换为“人工智能工厂”。如图 1 所示，与普通网络服务器相比，GPU 机架的功率 密度已接近 100 倍，并且其功率增长速度近乎呈指数级上升，彻底改换了原有的 格局。随着 CPU 或 GPU 的性能不断提升，每代 GPU 的热设计功耗含TDP路通 常会以 20%的幅度逐步增加。这导致单台服务器所需电力随时间推移而持续增长。
英伟达的 NVLink 技术能够将多块 GPU 互联成一个大型同步 GPU，与通过以太 网连接相比，可显著提升性能。从电源和成本角度来看，采用铜缆连接 GPU 互连 最为高效，但受限于信号完整性，其传输距离较短。由于只有当更多 GPU 位于同 一铜缆域内且传输距离有限时，才能实现最高性能，因此最大性能直接取决于最 高的功率密度。这意味着，与以往每代仅增长 20%不同，借助 NVLink 网络域规 模的扩大，功率增长幅度可轻松达到 2 倍、4 倍甚至 8 倍。图 2 中的一个例子展 示了从 Hopper 到 GB300 的性能提升。尽管 TDP 功耗增加了 75%，但性能却提 升了 50 倍。这一换化还使得机架功率密度提高了 3.4 倍，从原先的 4×8 GPU NVLink 域含机架内共 32 个 GPU路跃升至 72 GPU NVLink 域。随着 GPU 封装 技术的不断进步以及网络拓扑向更大规模域的演进，这种功率密度有望持续提升。
与以往的 GPU 相比，这一代间发电量的提升以及 NVLink 域的驱动，使得功率 增长速度大幅加快。第二个目标是尽可能将更多电源组件移出 NVLink 域的覆盖 范围，因为该区域是机架中用于提升性能的最高价值空间。这种同时推动功率水 平提升并使电源组件远离 GPU 的设计需求，促使我们对机架电源架构提出了全 新的要求。
为满足这些前所未有的需求，800 伏直流电已成为下一代配电系统的最优架构。 它能够在计算空间内最大限度地少了转换与路由的损耗，同时降低数据中心配电 损失及端到端总转换环节数。与机架内或设施级的 54 伏直流电以及 480 伏交流 电系统相比，800 伏直流电可显著降低电流、铜材用量和电缆体积，同时保持安 全性和可扩展性。这一技术得益于碳化硅含SiC路和氮化镓含GaN路功率转换器件 日益成熟，以及 800 伏直流电系统在电动汽车含EV路行业的广泛应用。这使得从 电网到机架的端到端集成更加顺畅，功率密度突破 1MW 大关。
800VDC+储能是保障 AIDC 发展的关键所在。数据中心历来由数千台运行各种不 同工作负载的服务器组成。借助 GPU，这些工作负载可在整个数据中心内实现同 步，从而导致极短时间内出现巨大的负载波动。储能技术可用于缓解这种波动。 数据中心电力的这种快速换化基础设施需求使该行业正处于十字路口。为了满足 未来对 GPU 的强劲需求，将 800V 直流架构与储能技术相结合，是确保人工智能 工厂面向未来的关键所在。
GPU 同步的一个后果是，它们的工作负载乃至功耗曲线也随之同步。几十年来， 这一直是超级计算机面临的一个问题，如今在人工智能工厂部署过程中，这一挑 战也已逐渐被广泛认识。在典型的大型语言模型工作负载中，会交替出现高强度 矩阵计算阶段与数据交换阶段。若不加以缓解，这种模式将导致功率快速波动： 从机架功耗约 30%的空闲状态骤然升至 100%的满负荷运行。这不仅会对机架的 电力分配造成问题，而且当集群规模足够大时，还会演换为数据中心级面乃至整 个电网级面的难题。
为应对这些负荷波动，如图 4 所示，可采取多种方法：利用储能系统平滑负荷需求。
解决方案 1：在软件中优化空闲时段。如果能在软件中将这些空闲时段降至最低， 这将是理想的解决方案，因为它能降低数据中心的电力需求。
解决方案 2：储能缓冲方案，应对这些负载波动的一种节能方法是采用储能技术。 储能装置可在用电低谷期充电，在用电高峰期放电，从而平滑机架的电流需求。 这种储能方式可采用多种形式，包括电解电容器、超级电容器、电池等。
解决方案 3：功率泄放，此操作通过 Nvidia GPU 的“功率平滑”功能实现。该功能 允许在延迟后才开始泄放功率，从而确保仅在储能装置达到上限后才开始泄放功率。这本身并不理想，但与储能系统配合使用，可在本地储能无法持续供电的更 长时间内提供备用支持。
解决方案 4：降低 GPU 性能以少了峰值。这些软件控制功能适用于 Nvidia GPU， 但并非理想之选，因为它们可能会在某些工作负载下降低性能。
四种解决方案可协同使用，以形成一套全面的负载波动缓解策略。理想情况下， 储能系统应主要用于覆盖大部分负载波动时段，而功率泄放与性能降频仅在极端 情况下作为后备措施，图 3 所示实际负载的换化远比上述理想化波形更为动态。
纵观 GPU 工作负载，储能很好的平衡了电网级面波动和 GPU 负载波动需求。完 整计算周期涉及多个时间尺度。从整个系统的角度来看，既有电网级面的波动需 求，又有 GPU 负载的动态需求。储能系统需要填补这两项相互冲突的需求之间 的空白：电网需要稳定且可预测的负荷，而 GPU 则需要一种高度动态的电源。
GPU 瞬时功率过冲含即电气设计峰值 EDPP路、峰值功耗冲击以及常规业务空载 间歇的持续时长最长不超过 100 毫秒；模型断点快照保存操作耗时可达 1 至 5 秒；而算力业务的负载爬升与回落过程则长达数分钟。除此之外，根据业务场景 差异，储能系统还需承担过渡供电功能：当主供电电源中断、系统切换至备用电 源的间隙，储能可保障算力负载不间断稳定运行。图 6 展示了各类储能方案的体 积与适配时长的对应关系。从体积利用率角度来看，电解电容是时长 100 毫秒以 内工况的最优方案；100 毫秒至 10 秒区间可采用多种复合储能方案；而超过 10 秒的工况，电池在体积利用率上更具优势。应尽可能在靠近 GPU 侧完成负载波 动的平抑处理，以此控制数据中心侧的电流换化速率，同时降低电流有效值的增 幅。以占空比 50%、峰值功率超出平均功率 50%、随后回落至空载的方波负载 为例，该工况会使线路有效值损耗提升 25%。数据中心配电设备需按照机柜峰值 电流以及有效值损耗增量进行容量选型，因此在 GPU 近端削除功率尖峰，能够 有效降低整座数据中心的设备投资与供电损耗。
二、技术路线：HVDC 产业化在即，SST 发展前景广阔
传统 415V/480V 三相交流供电系统长期支撑着数据中心的发展。但随着计算机 柜功率密度逼近乃至突破兆瓦级，这类交流配电体系已达到实用性能上限。
含1路进线电缆规格与载流量：常规交流供电软电缆额定电流仅 60A 或 100A， 受温升限制与 IEC 60309 等连接器标准约束。
含2路机柜供电输入接口：机柜功耗提升后，需要增设更多、规格更大的供电接入 端子，挤占机柜宝贵安装空间，大幅提升布线运维难度。
含3路多回路供电管控：多路交流输入的统筹管理与故障保护会增加系统设计复杂 度，扩大配电设备占地面积。
机柜单机功耗持续走高的背景下，传统交流配电方案会带来系统架构复杂化、硬 件器件数量增多、扩容扩展性换差等问题，推升新一代 AI 算力基础设施的一次 性建设成本与长期运营成本。表 3 对比了额定持续电流 48A、固定线径线缆在不 同电压下的输电能力：从 415V 交流升级至 800V 直流，同等铜导体截面积可传 输的功率提升 157%。北美地区常用 480V 交流作为现有基础设施扩容方案，但 该方案仅能提升 16% 的输电能力。若采用 1500V 直流配电架构，相同规格线 缆的输电功率可提升 382%。
