Путь электричества в AI-датацентре

На этой неделе в X разошёлся пост The Kobeissi Letter о том, что электричество в США дорожает вместе с AI-бумом. Цифры в посте расходятся с официальной статистикой, но направление верное. По данным EIA, опубликованным 23 октября, за первые восемь месяцев 2026 года киловатт-час для домохозяйств стоил в среднем 18,19 цента против 13,01 цента в 2019 году, это на 40% больше. Для промышленных потребителей в августе 9,64 цента, на 7% больше, чем годом раньше.

Для датацентра электричество одна из главных статей операционных расходов. Мегаватт, который работает круглый год, это 8760 MWh, по августовской промышленной цене около 845 тысяч долларов в год, наш расчёт. Поэтому инженеры считают каждый процент потерь на пути от линии электропередачи до GPU.

Какие мегаватты имеют в виду

Критическая IT-мощность показывает, сколько максимум могут потреблять серверы. Из сети площадка берёт больше, потому что ещё работают охлаждение, свет и потери в электрике, мы разбирали это в статье про охлаждение. Ещё есть загрузка: облачные серверы в среднем загружены на 50–60%, обучение AI больше чем на 80%. В разборе SemiAnalysis кластер из 20 840 GPU H100 требует около 25,9 MW критической IT-мощности. Когда в новости пишут «датацентр на гигаватт», первым делом спросите, какой из этих гигаваттов имеется в виду.

От ЛЭП до подстанции

Большой датацентр подключают к магистральной сети высокого напряжения, больше 100 kV, обычно 138, 230 или 345 kV. Высокое напряжение нужно из-за потерь: они растут как квадрат тока, а при той же мощности ток тем меньше, чем выше напряжение.

На площадке стоит своя подстанция. Трансформаторы на 50–100 MVA понижают напряжение до среднего. В примере SemiAnalysis кампус на 150 MW берёт два трансформатора по 80 MVA или три, если нужен резерв. Они понижают 230 kV до 33 kV, и ток вырастает примерно с 350 до 2500 ампер. Такие трансформаторы ждут больше года, и сроки запуска могут упереться именно в них.

Среднее и низкое напряжение

Дальше распределительное устройство среднего напряжения, на 11, 22, 25 или 33 kV в зависимости от страны и проекта, разводит питание по зданию. Затем трансформаторы на 2,5–3 MVA понижают напряжение до низкого, в американских залах это обычно 415 V. Ток рядом со стойками доходит до 4000–5000 ампер.

После трансформатора стоит щит низкого напряжения с автоматами, учётом и устройством автоматического ввода резерва. Это устройство переключает нагрузку на генератор, если сеть пропала.

Когда сеть пропадает

На каждый низковольтный трансформатор обычно приходится свой генератор, чаще дизельный, на 2–3 MW, на большой площадке их двадцать и больше. Топлива держат на 24–48 часов работы на полной мощности. Но генератору нужно около минуты, чтобы запуститься и выйти на режим, а серверы не переживут и доли секунды без питания.

Эту минуту закрывает ИБП, источник бесперебойного питания. Он подхватывает нагрузку быстрее чем за 10 мс, а его батарей хватает на 5–10 минут. Классический ИБП постоянно пропускает весь ток через двойное преобразование, из переменного в постоянный и обратно, и теряет на этом 3–5%. Современные модели в режиме ожидания работают с КПД выше 99%, но переключаются на несколько миллисекунд дольше.

Две линии питания и резерв

Любое оборудование нужно иногда ремонтировать, поэтому электрику строят с запасом. N означает ровно столько оборудования, сколько нужно нагрузке. N+1 добавляет одну запасную единицу: при десяти рабочих трансформаторах ставят одиннадцать. Обычно нагрузку делят все одиннадцать, и в примере SemiAnalysis каждый работает примерно на две трети номинала: запасной не стоит без дела, а его заводской брак проявляется сразу. 2N дублирует всю систему целиком.

В типичной схеме с 2N от ИБП до стойки идут две независимые ветки, сторона A и сторона B. У стойки два набора розеток, и если одна сторона отказала или ушла в ремонт, стойка работает от второй. Площадку, где любой элемент можно вывести в ремонт без отключения нагрузки, называют обслуживаемой без остановки. Для неё трансформаторы и генераторы обычно ставят по N+1, а ИБП и распределение по 2N. Гиперскейлеры используют и более экономные схемы, например четыре независимые системы питания, из которых для работы хватает трёх.

Внутри стойки

К рядам стоек питание идёт по шинопроводам под потолком или кабелями от распределительных шкафов. В стойке блоки питания превращают переменный ток в постоянный. В стойках по стандарту OCP это делают общие силовые полки, которые раздают 48–54 V по медной шине на всю стойку. Рядом можно поставить батарейные модули на несколько минут работы. Последнюю ступень выполняют регуляторы напряжения на плате GPU, они понижают напряжение примерно до вольта прямо у чипа.

По расчёту SemiAnalysis в материале о 800 VDC, в такой схеме переменного тока между сетью и чипом семь ступеней преобразования, а до чипа доходит около 82% энергии. Больше всего теряют регуляторы на плате, их КПД около 92%, и блоки питания, около 94%.

Почему стойки на 100+ kW ломают старую схему

Ещё недавно стойка в среднем потребляла меньше 10 kW. Стойка GB200 NVL72 потребляет 120–130 kW в зависимости от конфигурации, а Nvidia пишет, что раздача 54 V внутри стойки упирается в физические пределы примерно после 200 kW. Ток считается делением мощности на напряжение. Стойка на 600 kW при 48–54 V требует около 12 500 ампер, при 800 V около 750 ампер.

Отсюда две проблемы. Первая медь: по оценке Nvidia, стойке на 1 MW при 54 V нужно до 200 кг медных шин. Вторая место: уже сейчас в NVL72 стоит до восьми силовых полок, а при мегаваттной стойке они заняли бы до 64 юнитов, то есть почти весь шкаф без места для GPU.

Что меняет 800 VDC

Идея Nvidia в том, чтобы превращать переменный ток среднего напряжения, 13,8 kV, в постоянный на 800 V сразу на входе в здание и подавать его прямо в стойки. В стойке остаётся только понижение постоянного напряжения для GPU. Компания обещает до 5% выигрыша в КПД от сети до чипа, на 85% больше мощности по проводнику того же сечения и на 45% меньше меди по сравнению с 415 V переменного тока. Массовый переход Nvidia связывает со стойками Kyber в 2027 году. Архитектуру Nvidia, Google и Microsoft развивают через Open Compute Project, по данным Nvidia, под спецификацию делают оборудование больше 80 производителей.

На гигаватт IT-нагрузки 5% это около 50 MW. Если считать по той же промышленной цене в США, это порядка 42 миллионов долларов в год, наш расчёт.

SemiAnalysis описывает переход по фазам и не торопит события. Стойки Vera Rubin NVL72, которые выходят в конце 2026 и в 2027 году, потребляют 180–220 kW, и трёхфазный переменный ток ещё справляется, так что 800 VDC для них пока не обязателен. Первыми идут отдельные силовые стойки рядом с вычислительными, их внедрение ведут Google и Meta. Главный скачок КПД, по модели SemiAnalysis, даёт отказ от центрального ИБП, когда цепочка сокращается с семи ступеней до пяти. Твердотельные трансформаторы, которые заменят и низковольтный трансформатор, и выпрямитель, массово ждут не раньше 2029 года, а на май 2026 года ни один производитель не получил для них сертификацию UL для датацентров.

Скачки нагрузки

У AI-кластера есть проблема, которой не было у обычного облака. Тысячи GPU синхронно переходят от вычислений к обмену данными и обратно. Meta пишет, что нагрузка в её кластере Prometheus колеблется на 30–40%, а запуск или пауза большого обучения сдвигает десятки мегаватт за секунды. Meta сглаживает это программным ограничением мощности GPU, батареями и конденсаторами в стойках и батарейными накопителями на уровне площадки. Почему синхронное обучение так чувствительно к каждой GPU, мы разобрали в статье о надёжности кластера.

Как читать новости о мощности