- 对数据和人工智能日益增长的需求给电力供应带来了压力，并加速了数据中心从铜缆向光纤的迁移。
- 与光纤相比，铜缆的能耗更高，传输距离也更受限，这促使网络设计朝着 400G、800G 及更高速度发展。
- 通过结合模块化设计、自动化、连续监控和通过预制管道进行分散式配电，实现了灵活性。
- GNSS 的无铜解决方案（例如光纤供电）允许数据和电力通过光纤进行分配，从而提高同步性并降低复杂性和成本。
在此背景下，所谓的“无铜数据中心”和最大限度减少铜用量的架构正在成为提高效率、灵活性和可持续性的有力途径：更多的光纤、光纤供电解决方案、模块化配电以及充分利用每一瓦和每一米电缆的设计。
对数据、人工智能和能源的失控需求
全球信息量持续增长：据估计，到2025年，全球将产生和消耗约181泽字节的数据，几乎是十年前数据的三倍。这种激增要求数据中心具备更强的可扩展性，能够几乎实时地扩展计算和存储容量。
云计算和高性能人工智能的兴起是这一飞跃背后的主要推动力。大规模语言模型、高级分析、5G 服务和实时应用增加了带宽需求，降低了可接受的延迟裕度，并显著提高了基础设施的能源消耗。
根据彭博新能源财经的预测，到2035年，美国人工智能计算相关的电力需求可能会翻一番以上。像黄仁勋（英伟达）和萨姆·奥特曼（OpenAI）这样的企业高管长期以来一直警告说，需要数万亿美元的新基础设施来支持这波新的数据中心和人工智能综合体浪潮。
然而，瓶颈不再主要在于空间或服务器技术，而在于电力供应和输电网络容量。许多市场的输电基础设施陈旧，监管流程缓慢，将新增兆瓦电力并入电网的周期长达数年。
圣克拉拉案例：已竣工的建筑无法照明
一些科技中心的现状极其糟糕，一些已经建成、随时可以投入使用的数据中心，却因为电力供应不足而闲置多年。这种情况就发生在加利福尼亚州圣克拉拉，这里是英伟达的总部所在地，也是世界计算中心之一。
全球最大的数据中心开发商之一 Digital Realty 于 2019 年申请在圣克拉拉建造一座新设施的许可证。大约六年过去了，这座四层楼、约 40.000 万平方米的建筑仍然空置，等待市政公用事业公司硅谷电力公司 (SVP) 提供全部电力。
Stack Infrastructure（现已被Blue Owl Capital收购）也面临着类似的情况，其附近一个高达48兆瓦的关键容量项目也仍然停滞不前。这两家开发商都依赖于SVP完成其价值约450亿美元的电力系统升级，该项目预计将于2028年左右完工。
与此同时，圣克拉拉已有超过五十个数据中心投入运营或正在建设中，这反映出当地对数字容量的需求远远超过了电网的增长能力。在这样的环境下，每一瓦都至关重要，任何能够节能或减少布线和配电损耗的技术都变得至关重要。
这个问题并非加州独有：在北弗吉尼亚，也就是由 Dominion Energy 供电的著名“数据中心走廊”，有报道称大型数据中心接入电网需要等待一到三年，有些情况下甚至长达七年。在俄勒冈州，亚马逊也曾抱怨多个项目电力供应不足，这凸显了运营商和电力公司之间日益紧张的关系。
数据中心布线出了什么问题？
除了电源供应问题之外，数据中心的内部设计也在发生转变：铜缆正在落后于光纤解决方案，尤其是在传输速度飞速提升的情况下。
短短几年内，传输速度就从 40 Gbps 几乎跃升至 100 Gbps，400 Gbps 链路也开始在高性能部署中普及。行业正紧随 IEEE 制定的以太网路线图，计划向 800G 甚至 1,6 Tbps 的速度飞跃。然而，使用铜缆维持如此高的速度变得越来越复杂、昂贵且耗能。
如今，光纤已成为数据中心网络的标配，从汇聚层到核心层，以及机房和楼宇之间的连接，几乎涵盖了整个数据中心网络。铜缆最后的堡垒存在于机架或周边区域内交换机和服务器之间的短距离链路中，在这些链路中，双绞线或DAC仍然用于极短距离和中等速度的传输。
多年来，人们一直预测数据中心铜缆将会消亡，虽然它比许多人预期的坚持得更久，但距离限制、不断增长的电力需求以及设计节能型数据中心的压力，正推动着铜缆走向一个新的转折点。
能源消耗：铜的阿喀琉斯之踵
铜缆在高速传输环境中最大的问题之一是其功耗远高于光纤。由于设计和效率方面的限制，在10 Gbps以上的传输速率下，双绞线（UTP/STP）部署几乎已从关键任务环境中消失。
在铜缆链路中，每一端都需要为信道的电信号传输供电。10G铜缆收发器通常每个消耗3-5瓦的功率。这看起来似乎微不足道，但当乘以数千个端口时，对数据中心的能源预算和冷却的影响将变得非常巨大。
相比之下，铜缆模块的功耗几乎是许多同等规格多模光纤收发器的十倍。此外，还要考虑散热的间接成本，这需要更大的空调和散热系统，从而进一步增加运行成本。
如果将补偿额外热量的成本考虑在内，铜缆的运营成本很容易达到光纤基础设施的两倍。在能源利润空间日益收窄、能效监管压力不断加大的环境下，这种差异至关重要。
铜的信号损耗和传输距离限制
铜线的另一个主要局限性是随着速度和距离的增加，信号损耗会加剧。电信号会受到衰减的影响，并且会受到专用集成电路（ASIC）的性能以及为保持链路信号完整性所需的补偿技术的限制。
在极高的速度下，即使是短距离的铜线传输也需要显著增加功率，这与降低功耗的目标完全背道而驰。即使是短距离的DAC线缆也开始显现出这些局限性，使得原本相对简单的设计变得复杂起来。
交换机容量的不断提升也带来了变革。如今，一台1U交换机即可服务多个服务器机架。在现代应用所需的高速传输条件下，即使在相对紧凑的走廊中，铜缆也无法在不显著增加功耗的情况下覆盖如此长的距离。
因此，许多运营商正在放弃基于短铜缆链路的传统“机架顶部”部署模式，转而采用将汇聚交换机置于“行中”或“行尾”位置，并辅以结构化布线（主要为光纤）的设计方案。这降低了复杂性，提高了可扩展性，并有助于优化信号路径和降低能耗。
面向 800G 和 1,6T 的内部网络
以太网向 800G 和 1,6T 迈进并非遥不可及的愿景，而是应对带宽爆炸式增长、延迟降低以及人工智能、物联网和大规模虚拟化兴起的必然之举。超大规模网络提供商已着手为此做好准备，构建相应的网络基础设施。
在此背景下，结构化光纤布线提供了一条清晰的发展路径。基于16芯光纤基础设施的架构能够有序地扩展到如此高的速度，高效利用可用带宽，并促进链路聚合和解耦。
例如，精心设计的 16 芯光纤网络可以让一个高容量交换机服务大约 192 台服务器，从而简化服务器的设置和管理等任务，并在延迟、端口利用率和每比特传输总成本方面取得显著优势。
专业厂商指出，许多大型企业和公有云数据中心已经达到一个临界点，投资光纤到服务器是最合理的选择。他们借鉴超大规模环境的经验，并得出结论：只有将这种策略应用到自身规模，才能避免落后。
这并不意味着铜缆会完全消失：在一些低带宽、短距离的场景中，铜缆的价格优势依然存在，尤其是在小型数据中心或对带宽要求不高的场景中。但铜缆的主导地位正在下降，其应用也变得越来越具体。
纤维在拉丁美洲和其他新兴市场的作用
向光纤主导型解决方案的转型并非仅限于北美或欧洲的主要枢纽。在拉丁美洲，光纤的普及率正在迅速增长，为构建更现代化、更高效的数据中心网络奠定了基础。
经合组织最近的数据显示，哥斯达黎加等国的光纤部署量在短短一年内增长了近 74%，而哥伦比亚和墨西哥在同一时期分别增长了 43% 和 36%。
这一飞跃并不意味着铜缆会在一夜之间被淘汰，但这确实反映出投资正明显转向光纤基础设施，尤其是在那些距离、容量和能耗优势最为明显的网络段。
实际上，我们看到的是一种混合生态系统，其中光纤主要用于骨干链路、汇聚和关键网络段，而铜缆则用于高度局部化的场景。随着光纤成本的降低和即插即用解决方案的改进，继续扩展铜缆基础设施的经济理由正在减弱。
灵活性：数据中心基础设施的关键所在
除了线缆类型之外，现代设计中最常出现的词是“灵活性”。随着工作负载的变化、技术的快速发展以及日益波动的能源需求，数据中心必须能够在不进行长时间停机或大规模建设的情况下进行调整。
从电力角度来看，供电连续性至关重要：任何供电中断都可能导致数据丢失、代价高昂的服务中断以及声誉损害。因此，可靠性、冗余性和弹性是配电系统设计的基本支柱。
与此同时，运营商面临着越来越大的压力，需要减少碳排放并提高能源效率。据国际能源署统计，数据中心和通信网络目前已占全球电力消耗的2%至3%，温室气体排放量约占1%。
尽管各方估计不一，但种种迹象表明，如果不采取果断的优化措施，未来几年这一数字还将继续增长。在这种情况下，拥有无需对建筑进行半数改造即可实现负荷重新配置、扩容或集成新技术的基础设施，将成为一项关键的竞争优势。
灵活数据中心的关键措施
为了实现这种灵活性，数据中心运营商正依赖多种互补策略，这些策略涵盖硬件、管理和运维层面。其中最突出的包括模块化设计、高级自动化、持续监控和分布式配电。
首先，模块化设计和基础设施允许以最小的运营影响扩展或重新配置数据中心区域。模块化机房、预制机架、封闭式冷热通道和预组装解决方案有助于快速迁移并降低风险。
自动化和编排也发挥着核心作用：智能资源管理工具可以实现负载均衡、流量均衡、优化服务器使用，并实时支持高峰需求，减少人工干预，降低人为错误的概率。
此外，实时监控和分析解决方案能够提供能源消耗、温度、港口利用率和其他关键参数的可视化信息。然后，可以将预测分析算法应用于这些数据，以帮助预测故障、检测效率低下之处并更准确地规划扩建。
最后，基于预制电线管道的分散式配电理念正在兴起，它将能源输送到更需要的地方，减少损耗，并使其更容易以模块化方式扩展，而无需中断服务或进行重大的内部工程。
分散式配电和预制导管
在大型IT机房中，传统的、高度集中的电力分配系统可能会变得僵化且效率低下。通过分散部分配电，并将供电点更靠近负载，可以获得多项与日常运行相关的优势。
首先，降低输电损耗是主要优势之一。如果输电线路更短，更符合实际用电量，那么每一瓦的电力都能得到更高效的利用，电压降和导线发热也会减少。
它还能提高可靠性：分散式架构最大限度地减少了单个故障的影响。故障不会像以往那样由单个关键点导致大面积离线，而是被限制在较小的区域内，从而便于冗余和维护，而不会影响整个数据中心。
在可扩展性方面，预制电线管允许几乎“即时”添加电源模块或新的分支线路，安装时间比传统布线方案显著缩短。这意味着在集成新机架或调整负载密度时，可以更加灵活地应对各种情况。
此外，通过策略性地布置房间内的配电元件，您可以更有效地设计走廊、气流和数据线缆路径，这在高密度环境中尤为重要，因为每一厘米都至关重要。
示例解决方案：I-Line轨道母线槽
这种方法的一个很好的例子是母线槽式预制电缆导管解决方案，例如专为IT机房和现代数据中心设计的I-Line轨道母线槽。这些系统坚固耐用、模块化设计，旨在提供安全性、灵活性和高效性。
例如，I-Line轨道母线导管已通过IEC 61439-6认证，并采用纯度高达99,9%左右的铜，导电率超过98%。这种导体质量是最大限度减少损耗和确保稳定供电的关键。
其特色之一是用于快速连接接线盒的插入式系统，该系统利用柔性夹钳确保最佳电气接触，从而只需几秒钟即可连接分支电路。这大大缩短了安装时间，并降低了连接错误的发生概率。
它还包括 Easy Lock 型锚栓，这是一种屡获殊荣的解决方案，可将盒子牢固地固定到导管上，以及连接块，可确保各部分之间可靠的机电连接，其固定系统专为在生产环境中快速组装而设计。
铝制外壳设有插槽，可容纳额外的通信总线甚至光纤电缆，例如，用于对管道本身进行持续的热监测。此外，前端监控系统能够控制能耗、负载水平和发出警报，从而提供额外的可视性和安全性。
最后，接线盒通常具有足够的容量来容纳保护装置、信号装置和电源插座，并且设计用于以最大的安全性进行安装和拆卸，这大大方便了维护和扩展工作，而不会影响运行。
无铜数据和电力链路：押注光纤供电
除了在数据传输中用光纤取代铜线之外，一些制造商更进一步，推出了能够消除某些设备电源中铜线的解决方案，尤其是在关键的同步和信号应用中。
HUBER+SUHNER 就是一个引人注目的例子，该公司开发了一种完全无铜的数据和电力链路，作为其全球导航卫星系统 (GNSS) 和光纤供电 (PoF) 技术解决方案的一部分。这类系统对于需要极高精度时间同步的数据中心和 5G 环境尤为重要。
传统上，GNSS天线使用铜缆供电和传输信号，通常还需要一根额外的专用电缆专门用于供电。这使得物理部署复杂化，增加了电缆重量，并限制了工作距离。
HUBER+SUHNER 的 GNSS 光纤供电解决方案利用光纤本身同时传输信号和电力至天线，无需单独的电源线。这简化了安装，缩短了部署时间，并最大限度地减少了对难以触及的天花板或凹槽内馈电通道的依赖。
这种方法的主要优势之一在于，它将发射器和接收器之间的距离从几米增加到几公里，而不会像铜缆那样造成信号衰减和传输限制。这使得通过建筑物或园区内部的光纤基础设施分发GNSS信号变得更加灵活。
GNSS和光纤供电在数据中心的优势
由于建筑结构本身的屏蔽作用，卫星信号很难以足够的强度到达高度封闭的室内空间，例如数据中心机房。通过将室外GNSS接收与室内光纤传输相结合，可以将精确的时间参考信息传递到真正需要的区域。
这种组合使得GNSS 信号能够安全、可靠、稳定地分布在整个建筑物内，从而改善依赖于非常精确参考时间的网络设备、电信系统和应用程序的同步性。
光纤电缆作为能量和信号传输介质，可实现几乎无限长的时间参考距离，且不易受电磁干扰。与铜缆不同，光纤电缆不会吸收噪声，从而提高了传输信号的质量。
对于服务提供商和运营商而言，这意味着能够充分利用现有的光纤基础设施，只需为实际使用的容量付费，并预留未来扩展空间，而无需从头开始重新布线。这显然是一种“面向未来”的战略，与模块化和可扩展数据中心的理念完美契合。
从操作角度来看，通过避免额外的铜线布线，并使用同一根光纤线路传输电力和信号，可以降低安装成本、部署时间和潜在的故障点，这在维护窗口期极短的环境中具有很高的价值。
从铜缆到光纤的迁移、电力分配的去中心化、预制管道的采用以及光纤供电等无铜电力链路的出现，这一系列趋势正推动数据中心向更高效、更具弹性和可扩展的架构发展。能够有效整合这些要素的企业将更有能力应对数据需求的爆炸式增长，实现可持续发展目标，并适应下一波技术浪潮，而无需每次都从零开始。
