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人工智能數據中心正在顛覆全球電力生產格局。現有電網的電力容量遠遠無法滿足正在建設的數據中心所需的能源量。傳統的輸配電網絡效率低下，無法充分利用所有可用電力。據美國能源信息署 (EIA) 的數據，輸配電網絡的年平均損耗約為 5%。在世界其他一些地區，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，增強電網的韌性，并通過減少電力傳輸所需的空間來限制數據中心對社區的影響。
微軟全球基礎設施總經理阿拉斯泰爾·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。”
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——盡管比傳統超導體所需的溫度要高得多。）
人工智能數據中心正在顛覆全球電力生產格局。現有電網的電力容量遠遠無法滿足正在建設的數據中心所需的能源量。傳統的輸配電網絡效率低下，無法充分利用所有可用電力。據美國能源信息署 (EIA) 的數據，輸配電網絡的年平均損耗約為 5%。在世界其他一些地區，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，增強電網的韌性，并通過減少電力傳輸所需的空間來限制數據中心對社區的影響。
微軟全球基礎設施總經理阿拉斯泰爾·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。”
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，也不會產生熱量。這完美契合了人工智能數據中心的需求，它們需要在有限的空間內承載巨大的電力負荷。此外，所需的變電站數量也會減少。據斯皮爾斯稱，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線路高出一個數量級。
微軟正與合作伙伴共同推進這項技術的發展，其中包括向超導電力技術開發商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 的首席執行官兼聯合創始人Tim Heidel表示：“與銅或鋁的主要區別在于，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非常高的電流密度。”
數據中心液氮冷卻
高溫超導（HTS）電纜仍需在低溫環境下運行，因此必須將冷卻系統集成到供電系統設計中。Veir公司采用閉環液氮系統來維持較低的工作溫度：液氮在電纜內循環，從遠端流出，再次冷卻后，再循環回到起點。
海德爾表示：“液氮是一種儲量豐富、成本低廉且安全的材料，被大規模應用于眾多關鍵的商業和工業領域。我們正在借鑒其他行業中已驗證的液氮使用經驗和標準，設計出穩定可靠的數據中心解決方案，以滿足連續運行的需求，并配備符合關鍵基礎設施要求而非實驗室條件的監控和控制系統。”
高溫超導（HTS）電纜的冷卻可以在數據中心內部進行，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，冷卻系統的管理方式與其他設施子系統相同。
稀土材料、冷卻回路、低溫環境——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，高溫超導技術的經濟優勢最為顯著。
海德爾表示：“在這些情況下，其價值體現在系統層面：更小的體積、更低的電阻損耗以及更靈活的電源布線方式。隨著技術的規模化發展，通過提高高溫超導薄膜的產量和良率，以及周邊系統硬件、安裝規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。”
人工智能數據中心正成為這種方法的理想試驗場。超大規模數據中心運營商愿意投資開發更高效的系統。他們可以權衡研發投入與廣泛提供人工智能服務可能帶來的收入。
微軟系統技術總監胡薩姆·阿利薩表示：“高溫超導制造技術已經成熟，尤其是在卷帶方面，這提高了成本效益和供應穩定性。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，重點關注系統設計和集成。”
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。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。
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