哪些因素会影响数据中心单机柜功率密度？

影响单机柜密度因素：

维度1，政策指引

《上海数据中心建设导则（2021版）》指出，新建大型数据中心单项目规模不应低于3000个标准机架，平均机架设计功率密度不低于6kW。《内蒙古和林格尔新区招商引资优惠政策》，也提出了平均机柜设计功率不低于6kW的要求。其他各地也有针对机柜功率密度的限制要求。

值得关注的是，今年上海出台了一个指引文件，《新型数据中心“算力浦江”行动计划（2022-2024年）》指出新建数据中心单体机柜功率不低于6kW。这里从平均改为单体，一词之差，意义完全不同，这给未来新建数据中心的机柜密度规划了一个方向，未来新建数据中心将会倾向于更加集中化、高密、绿色方向发展。

维度2，能效因素

据英特尔官网报告，可以看出PUE与单机柜功率密度的关系，以水冷系统为例，冷冻水温控制在8摄氏度的情况下，5.5kW功率密度，PUE值达到1.45，如果水温不变，功率密度提升到10kW时，PUE值将下降到1.35。10kW以后的曲线相对比较平滑。据此得出，在供冷不变的情况下，功率密度越高，PUE值则会降低，高到一定程度以后，下降曲线就会变缓。密度增加，为何PUE值会下降呢？主要因为换热效率增加了，热损失更小，所以换热效率会更高。

换一个维度，假设功率不变，冷冻水温度提升到16摄氏度，水温上升后PUE值也会下降，同样也可以起到节能的效果。

从功率密度变化与PUE值变化带来的影响看，在设计、建设数据中心之初就需要考虑上述两个维度。假设功率固定，设计水温如果参照当地的环境，再结合自身条件，水温设置越高（需要考虑业务冷量需求），PUE值表现就会越好。另外一个维度如果选址在环境温度较冷，自然采冷时间比较长，冷源比较固定的情况下，功率密度越高相对会节能一些，例如乌兰察布、张北等北方城市。（仅供参考）

维度3，企业效益

据CDCC调研数据显示，数据中心95%上架率，80%外电负载率下的TCO来算，IT电费与非IT电费合计占比超60%，机电折旧、维保、资金占用、土地等反映了数据中心密度的建设跟土地有相应的关系，低密机柜建设越多，占地面积相对越大，尤其在北上广深等寸土寸金的一线城市，高密机柜的建设可以相对减少土地成本和建筑物成本。

维度4，业务需求

据CDCC统计数据显示，2021年新增机柜超53万架，第三方（IDC）和互联网企业占比较多，IDC新增增量以定制类客户为主，主要包括互联网新的独角兽，像字节、快手、美团等，短视频和新兴的互联网公司。以上客户均是高功率需求，导致高密机柜增量较快。后疫情时代，包括政策引导，激发了互联网进一步的发展，导致了功率密度的上升，促进了机柜的增量。

维度5，IT设备升级

服务器主要功率能耗来自于CPU和GPU。据英特尔官方数据显示，从最初8353H型号，单个功率密度150w，到现在8380HL型号提升到250w，单个SKU的功率提升了100w，功率增长66.7%。随着未来效率的增加，功率将继续呈上升的趋势，这也将促进单功率的变化。

以上五个因素影响了数据中心单机柜的密度选择。

单机柜功率密度的上升或下降对于未来设计、建设、运维的影响主要看以下方面：

维度1，过度追求高功率并不可取

高密机柜的需求大多都是互联网与云业务，并不代表所有的行业需求。目前很多已建成的数据中心，上架率并不高，大概只有30%~50%甚至更低。CDCC的调研数据显示，目前已建成数据中心的综合上架率仅在55%左右，也就是存在45%的空置率。不算设备提前投入的折旧成本分摊，仅就数据中心机柜或上架率不高来看，将导致数据中心变压器建设完成后容量占用费会有较大的浪费，将会造成整个电力的过度消耗与资源的过度浪费。

从运营角度分析，如果空置率较高，密度越高成本浪费也会越高，所以在设计之初，要充分考虑未来业务需求的因素。

维度2，对运维工作提出更高要求

先从冷却角度看，机柜密度上升后，IT服务器的CPU和GPU功率相对增加，导致散发更多的热量，所以需要在固定空间内提供更多的冷量为其降温，从而使其稳定运行。

如图所示，横轴是冷却失效的时间/min，纵轴是机柜平均进风温度/℃，以冷冻水为例，功率密度4kW以下如果冷却失效，为IT服务器正常运行提供的所需冷量足以支撑25分钟甚至以上。功率密度增加到7kW时，冷却失效，为IT服务器正常运行提供的所需冷量可以支撑15分钟，如果功率密度增加到12kW或以上的情况下，为IT服务器正常运行提供的所需冷量仅能支撑6~7分钟，甚至更短。以目前技术，以空气换热方式最大极限只能做到20kW左右。所以20 kW以上的IT功率需求，基本都会选择液冷，这是目前比较好的制冷方式。冷却失效以后，功率密度越高，温升越快，运维人员做出应急响应的时间也就越短，对于运维人员的能力、技术要求、应急措施/预案，包括对整个制冷结构和架构的要求极高，对于运维人员和运维团队是一个巨大的挑战。

维度3，基础设施和IT设备生命周期的匹配

数据中心主体建设的整个生命周期为30~50年，柴发和高压供配电设备生命周期基本是20年左右，冷机、精密空调、水冷精密空调、低压设备与交直流设备等生命周期为15年左右，UPS、锂电池、风冷空调、辅助设备等大约是10年左右，目前UPS里的电容等生命周期约为5年，但IT设备的生命周期仅3~5年。从数据中心生命周期中价值较高的大型设备维度看，例如柴发和高压供配电设备，20年的周期里，IT设备很可能更新了4~6代，设备仅更新到2~3代，这么长的周期下，市场有什么样的需求变化，可能都是未知数。面对这种情况的应对方式，只有在建设时选择模块颗粒度更小的架构，包括现在很多采取预留空白的做法，把主体设施做好，来应对未来的需求变化和IT设备的技术革新。

设计者、建设者需要注意的是，数据中心在设计规划时，在选择基础设施系统与架构时，就要综合考虑IT业务需求功率密度，包括需求的用量，从而更好地满足它，才能更好地应对未来的不确定性。

总结：在新的数据中心拐点上，从数据中心整体单功率密度呈上升趋势。