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人工智能數(shù)據(jù)中心正在顛覆全球電力生產(chǎn)格局?，F(xiàn)有電網(wǎng)的電力容量遠遠無法滿足正在建設的數(shù)據(jù)中心所需的能源量。傳統(tǒng)的輸配電網(wǎng)絡效率低下，無法充分利用所有可用電力。據(jù)美國能源信息署 (EIA) 的數(shù)據(jù)，輸配電網(wǎng)絡的年平均損耗約為 5%。在世界其他一些地區(qū)，這一損耗率甚至更高。因此，亞馬遜云服務 (AWS)、谷歌云和微軟 Azure等超大規(guī)模云服務提供商正在探索各種途徑來獲取更多電力并提高效率。

例如，微軟正在大力宣傳高溫超導體（HTS）作為銅線替代品的潛在優(yōu)勢。該公司表示，高溫超導體可以通過減少傳輸損耗來提高能源效率，增強電網(wǎng)的韌性，并通過減少電力傳輸所需的空間來限制數(shù)據(jù)中心對社區(qū)的影響。

微軟全球基礎設施總經(jīng)理阿拉斯泰爾·斯皮爾斯在一篇博客文章中寫道：“由于超導體占用空間較小，卻能傳輸大量電力，因此它們可以幫助我們構建更清潔、更緊湊的系統(tǒng)?！?/p>

超導體革新電力效率

銅是良好的導體，但電流在導線中流動時會遇到電阻。這會產(chǎn)生熱量，降低效率，并限制電流的傳輸。高溫超導（HTS）在很大程度上消除了這種電阻因素，因為它由超導材料制成，并冷卻到極低溫。（盡管名稱中帶有“高溫”二字，但高溫超導體仍然需要極低的溫度——盡管比傳統(tǒng)超導體所需的溫度要高得多。）

人工智能數(shù)據(jù)中心正在顛覆全球電力生產(chǎn)格局。現(xiàn)有電網(wǎng)的電力容量遠遠無法滿足正在建設的數(shù)據(jù)中心所需的能源量。傳統(tǒng)的輸配電網(wǎng)絡效率低下，無法充分利用所有可用電力。據(jù)美國能源信息署 (EIA) 的數(shù)據(jù)，輸配電網(wǎng)絡的年平均損耗約為 5%。在世界其他一些地區(qū)，這一損耗率甚至更高。因此，亞馬遜云服務 (AWS)、谷歌云和微軟 Azure等超大規(guī)模云服務提供商正在探索各種途徑來獲取更多電力并提高效率。

例如，微軟正在大力宣傳高溫超導體（HTS）作為銅線替代品的潛在優(yōu)勢。該公司表示，高溫超導體可以通過減少傳輸損耗來提高能源效率，增強電網(wǎng)的韌性，并通過減少電力傳輸所需的空間來限制數(shù)據(jù)中心對社區(qū)的影響。

微軟全球基礎設施總經(jīng)理阿拉斯泰爾·斯皮爾斯在一篇博客文章中寫道：“由于超導體占用空間較小，卻能傳輸大量電力，因此它們可以幫助我們構建更清潔、更緊湊的系統(tǒng)。”

超導體革新電力效率

銅是良好的導體，但電流在導線中流動時會遇到電阻。這會產(chǎn)生熱量，降低效率，并限制電流的傳輸。高溫超導（HTS）在很大程度上消除了這種電阻因素，因為它由超導材料制成，并冷卻到極低溫。（盡管名稱中帶有“高溫”二字，但高溫超導體仍然需要極低的溫度——盡管比傳統(tǒng)超導體所需的溫度要高得多。）

這種新型電纜比銅線更細更輕，傳輸電流時不會降低電壓，也不會產(chǎn)生熱量。這完美契合了人工智能數(shù)據(jù)中心的需求，它們需要在有限的空間內承載巨大的電力負荷。此外，所需的變電站數(shù)量也會減少。據(jù)斯皮爾斯稱，下一代超導輸電線路在相同電壓等級下提供的容量比傳統(tǒng)線路高出一個數(shù)量級。

微軟正與合作伙伴共同推進這項技術的發(fā)展，其中包括向超導電力技術開發(fā)商Veir投資7500萬美元。Veir的導體采用高溫超導（HTS）帶材，這種帶材最常用的是一種名為稀土鋇銅氧化物（REBCO）的材料。REBCO是一種陶瓷超導層，以薄膜的形式沉積在金屬基板上，然后加工成堅固耐用的導體，最終可組裝成電力電纜。

Veir 的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Tim Heidel表示：“與銅或鋁的主要區(qū)別在于，在工作溫度下，超導層幾乎沒有電阻即可承載電流，從而能夠在更緊湊的外形尺寸中實現(xiàn)非常高的電流密度。”

數(shù)據(jù)中心液氮冷卻

高溫超導（HTS）電纜仍需在低溫環(huán)境下運行，因此必須將冷卻系統(tǒng)集成到供電系統(tǒng)設計中。Veir公司采用閉環(huán)液氮系統(tǒng)來維持較低的工作溫度：液氮在電纜內循環(huán)，從遠端流出，再次冷卻后，再循環(huán)回到起點。

海德爾表示：“液氮是一種儲量豐富、成本低廉且安全的材料，被大規(guī)模應用于眾多關鍵的商業(yè)和工業(yè)領域。我們正在借鑒其他行業(yè)中已驗證的液氮使用經(jīng)驗和標準，設計出穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)中心解決方案，以滿足連續(xù)運行的需求，并配備符合關鍵基礎設施要求而非實驗室條件的監(jiān)控和控制系統(tǒng)?！?/p>

高溫超導（HTS）電纜的冷卻可以在數(shù)據(jù)中心內部進行，也可以在外部進行。海德堡傾向于后者，因為這樣可以最大限度地減少室內空間占用和運行復雜性。液氮管線被輸送到設施內部，為超導體提供冷卻。這些管線將電力輸送到需要的地方，冷卻系統(tǒng)的管理方式與其他設施子系統(tǒng)相同。

稀土材料、冷卻回路、低溫環(huán)境——所有這些都會顯著增加成本。因此，高溫超導技術在絕大多數(shù)應用中無法取代銅。海德爾表示，在電力傳輸受到空間、重量、電壓降和散熱限制的情況下，高溫超導技術的經(jīng)濟優(yōu)勢最為顯著。

海德爾表示：“在這些情況下，其價值體現(xiàn)在系統(tǒng)層面：更小的體積、更低的電阻損耗以及更靈活的電源布線方式。隨著技術的規(guī)?；l(fā)展，通過提高高溫超導薄膜的產(chǎn)量和良率，以及周邊系統(tǒng)硬件、安裝規(guī)范和操作手冊的標準化，降低設計復雜性和部署風險，成本有望得到改善?！?/p>

人工智能數(shù)據(jù)中心正成為這種方法的理想試驗場。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商愿意投資開發(fā)更高效的系統(tǒng)。他們可以權衡研發(fā)投入與廣泛提供人工智能服務可能帶來的收入。

微軟系統(tǒng)技術總監(jiān)胡薩姆·阿利薩表示：“高溫超導制造技術已經(jīng)成熟，尤其是在卷帶方面，這提高了成本效益和供應穩(wěn)定性。我們目前的重點是與合作伙伴一起驗證這項技術并降低其風險，重點關注系統(tǒng)設計和集成?！?/p>

https://spectrum.ieee.org/ai-data-centers-hts-superconductors

（來源：編譯自IEEE）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

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