省在处理器旁边的一瓦，到数据中心要用三瓦来还

编译自 MDPI Energies 2026, 19(1), 236　·　开放获取 CC BY 4.0

在一颗处理器旁边省下一瓦，看起来微不足道。但如果这一瓦要先穿过四级变换才能送到芯片上，它在链路上会被放大三次。数据中心的能效账，很大程度上是一笔关于级联的账，而正是这笔账决定了供电架构该往哪个方向演进。

华沙工业大学工业电子系与谢里夫理工大学电气工程系的 Parsa Ziaei、Oleksandr Husev、Jacek Rabkowski 在 Energies 上把数据中心作为可再生能源的驱动力来讨论，其中相当一部分篇幅落在供电路径上。文章的一个核心判断是，任何靠近 IT 负载下游的效率改进，都会因级联效应在上游节省更多功率，因此效率优化的着力点应该尽量往负载侧挪。

要看清这一步的意义，得把供电架构的演进拉长来看。第一代数据中心走的是传统不间断电源路线，市电经变压、整流、再逆变，最后在服务器内降压给主板供电，单机柜功率停留在十几千瓦量级。第二代把配电改成直流母线，机柜功率提升到几十千瓦以上。第三代继续抬升电压等级，把交流变直流这一步从机柜里搬到机房之外。每一次跨越的驱动力都一样：机柜功率在涨，而铜的用量和空间都有上限。

四级变换把损耗叠起来

文章以开放计算项目的第三代高功率机架架构为例，说明数据中心的供电路径由多级变换器串联组成：中压前端、电源机架、电源单元、负载点转换，每一级都有自己的效率。整机从电网取用的输入功率，等于 IT 负载总功率除以各级效率的连乘。这意味着上游需要多取的那部分电，会被每一级的损耗逐级放大。

量化的结论比直觉更狠。在处理器侧节省 1 W，折算到服务器层面可以省下 1.5 W，而放大到整个数据中心系统层面，最多可以省下 3 W。反过来看，这也解释了为什么把优化动作放在靠近负载的位置，回报远高于在电网入口处抠效率，因为入口处的改进只影响自己那一级，而负载侧的改进会被整条链路放大。

图1　供电链路的四级变换与级联放大效应（依据原文第 2.1 节与图 5 绘制）

这套级联逻辑还有一个容易被忽略的推论。数据中心的功耗分静态与动态两部分，静态功耗来自半导体漏电流、风扇和系统空转，与负载高低无关；动态功耗随负载变化。AI 训练任务的负载曲线波动很大，作业调度还要考虑电价和绿电时段，这让能耗比例优化变得复杂。而级联效应意味着，减少静态功耗的收益同样会被放大，这一点在设计待机策略时值得单独考虑。

48 V 已经撑不住下一代机架

供电架构的演进有清晰的脉络。从传统的 12 V 转向 48 V 是一次重要跨越，开放计算项目把它作为标准推行，运行电压大致在 50 到 54 V。电压提高四倍，同样的功率下电流降到四分之一，配电损耗和母排用量都随之下降，机架功率得以突破 100 kW。开放计算项目的第三代高功率机架进一步把单个电源从 3 kW 提升到 5.5 kW，整机架最高可以支撑 190 kW。

瓶颈也随之出现。AI 负载把单个机架推向 100 kW 以上，48 V 母排需要做得更粗更重，甚至要引入主动散热；电源模块和电池备份单元挤占机架空间，而这些空间本该留给计算设备。文章还指出，负载的可变性在这一代架构里变得更突出，传统功耗模型只盯着处理器，忽略了磁盘、网卡等部件的贡献，在数据密集型和计算密集型任务混合部署时，这套模型已经不够用。

双极 ±400 V 把变换搬出机架

下一步的方案是把交流变直流这一步和电池备电一起挪到机架之外，以 Sidecar 电源架的形式部署，机架内只保留一次高比例的直流变换。文章讨论的是双极 ±400 V 直流系统，正负极之间的电压差为 800 V，但按 400 V 等级来管理。这样做的好处有几层：电流更低，分配损耗趋近于零；机架内部腾出空间，可以多放计算节点，也更容易布置液冷管路；同时可以直接借用电动汽车行业已经成熟的器件生态，缩短供应链磨合时间。

图2　48 V 与双极 ±400 V 直流架构的对比及储能分工（依据原文第 2.1、2.2 节绘制）

电压等级上去之后，工程设计上的约束也跟着变。电池备份单元在 48 V 架构里需要和电源模块一起挤在机架内，移到 Sidecar 之后，供电与备电可以统一规划，维护也从机架级变成电源架级。对运营商来说，这意味着扩容时可以只增加计算节点，不必重做配电设计。

尖峰负载要靠三档储能接住

AI 负载的功率曲线不像传统业务那样平缓，短时高功率冲击对电网和供电链路都不友好。文章给出的应对是把不同时标的波动分给不同的储能装置。超级电容承担秒级以内的尖峰，抑制瞬时电压跌落；电池储能系统与直流母线并联，处理秒到分钟级的波动，做峰值削减；更慢的变化则交由电网和调度策略去消化。

在混合储能系统的控制上，论文强调用控制滤波器和限速率器把功率分量拆开，让电池处理低频动态、超级电容处理高频动态。这样分工的实际收益是电池循环寿命的延长，因为高频的充放电冲击不再落在电池上，而电池寿命对充放电频次相当敏感。文章还提到一种超级不间断电源的思路，利用在线式不间断电源内部背靠背变换器的直流母线，就地搭出一个小型直流微电网，把可再生能源和储能在不改动原有供配电架构的前提下接进来。

储能的接入方式也在变化。传统做法是每个机柜配一套电池备份单元，属于分散式部署，维护成本高，容量也难以统一调度。把储能集中到直流母线一侧之后，容量可以按整个机房的需求配置，充放电策略也能和电价、绿电出力联动。论文提到的需求响应机制正是建立在这个基础上，把训练任务这类可以延迟的负载当作调节手段，在电价高或电网紧张时推迟执行。

能效数字背后的现实

文章给出的能效参照系是电源使用效率，即整机功耗与 IT 负载功耗之比。当前最佳的超大规模数据中心落在 1.15 到 1.3 的区间，小型设施的该指标可能超过 2。谷歌公布的 2025 年全舰队滚动十二个月数据为 1.09，说明头部厂商在制冷和配电上的水分已经挤得差不多了。

可再生能源的就地接入是这条链路上另一条线索。数据中心负荷平稳、可预测，本来是消纳波动的风电和光伏的理想用户，但传统交流配电架构需要多级变换才能把直流光伏接进来。改成直流配电之后，光伏可以直接挂到直流母线上，省掉的变换级数等于省掉的损耗。文章把这一层收益也算进供电架构升级的账里，这也是它把数据中心称为可再生能源驱动力之一的原因。

把这篇论文的几条线索串起来，数据中心供电正在经历一次结构性的重排：电压等级往上走，变换级数往下减，效率优化的着力点往负载侧挪，储能则按时间尺度分工。每一环单独看都不新鲜，但把它们组合起来，才构成从 48 V 走向高压直流的完整理由。而在新增装机持续攀升的背景下，这条路上的每一步都直接对应着可观的运营成本差异。