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資料中心設計挑戰｜Data Center Challenges 全面解析
面對AI伺服器帶來的爆炸性成長，資料中心正面臨三大層面的關鍵挑戰：電力負載、冷卻系統，以及空間與維運設計。
這些問題不僅是硬體升級，更是要求業者重塑新的設計邏輯。
以下我們將逐一解析。
一、資料中心挑戰一：電力密度暴增，傳統供電設計無法支撐
AI伺服器集群對電力供應造成前所未有的壓力。傳統資料中心每機櫃的供電設計約落在 5–10kW，但AI伺服器常見每櫃功耗高達 20–30kW，甚至更多。
這不僅導致機櫃端配電單元（PDU）與配電盤容量不足，更牽動整體母線、變壓器與UPS（不斷電系統）全面升級。
原本使用單相電的系統，也不得不改用三相電以承載巨量電流。
此外，AI伺服器需要高等級的冗餘供電配置，通常為雙路供電（A路+B路），每一路都需具備承擔整櫃功耗的能力，這等於為每個高密度機櫃打造兩套小型供電系統，對基礎設施形成雙倍壓力。
在整體機房層級，大量AI機櫃的部署也導致總功耗大幅上升。
過去30MW已是大型機房規模，如今200MW等級的AI資料中心也日益普遍，許多區域電網根本無法直接供應這種等級的電力，導致選址須優先考慮是否臨近變電站或發電廠。
二、資料中心挑戰二：風冷已達極限，液冷成為新解方
圖片來源：Japan Insights
冷卻能力是AI資料中心面臨的第二大挑戰。
業界普遍認為，單機櫃功耗達到30kW即為風冷散熱的極限。
超過此閾值，即使提高風速也難以有效排熱，容易產生局部熱點並導致硬體降頻。
目前常見的AI GPU，例如NVIDIA H100或B100，其單卡TDP就高達700–1000W。
若一櫃配置4台8卡伺服器，總功耗可能超過50–60kW，完全超出風冷所能承載的範圍。
液冷技術因而快速興起，成為資料中心的主流方案，主要分為三種型態：
- 後門熱交換器（RDHX）：將伺服器排風立即以水冷帶走，無須改裝伺服器，可支援40–60kW負載。
- 直接晶片冷卻（Direct-to-Chip）：在GPU/CPU上安裝冷板，冷卻液直接與熱源交換，可支援60–120kW負載。
- 浸沒式液冷（Immersion Cooling）：將伺服器整體浸泡在絕緣冷卻液中，單櫃可支援100–150kW以上，但需全面改裝，適用於高密度且新建設施。
這些技術共同目標是「就地解熱」，直接於熱源帶走熱量，提升冷卻效率並降低PUE（能源使用效率指標），同時延長硬體壽命與提升時脈穩定性。
然而，液冷也不是萬靈丹。
與風冷相比，液冷初期投資成本明顯更高，建置管線、配水系統與備援裝置所需支出可觀。
此外，液冷系統通常需要定期更換冷卻液體、清洗管線、汰換濾心與防止腐蝕，也為後期維運帶來額外成本與技術門檻。
因此，許多資料中心至今仍傾向延用風冷方案，尤其在尚未全力導入AI工作負載的環境中。
三、資料中心挑戰三：空間佈局與運維複雜度全面提升
高功率與液冷技術的導入，意味著資料中心的物理設計與維護模式都需要更新。
1. 空間設計需配合冷卻管線與重量配置
為部署液冷管線與冷卻分配單元（CDU），許多資料中心需重新評估其物理配置。
包括：通道寬度需容納冷卻液管道與維修空間，架高地板下是否能容納水管循環與監控設備，以及天花板結構是否能承受懸掛式配水系統。
同時，設備重量也成為關鍵限制因子。
某些液冷機櫃含冷卻液後總重量可達2公噸以上，遠超傳統抬高地板的承重極限，因此常需將高密度機櫃安裝於樓板基座（slab floor）上，避免地板變形或安全風險。
浸沒式液冷的物理特性也限制了其空間效率。
冷卻槽體積龐大、且不易堆疊，使得單位面積可安裝的伺服器數量下降，必須在機房初期規劃階段即納入考量，以避免未來擴充受阻。
2. 運維需跨領域整合與新技能訓練
若安裝液冷系統，需引入冷卻液循環、幫浦與熱交換器等模組，使日常維運更複雜。
因此技術人員需掌握以下能力：
- 監控冷卻液溫度、流量與壓力
- 處理漏液風險，安裝偵測與防護裝置
- 正確更換水冷模組與濾心
- 在不破壞設備下排液、補液與停機維修
此外，許多伺服器廠商對水冷改裝後的保固不予承認，企業需與原廠或第三方協商相容保固條件。
四、基礎設施準備好了嗎？
從電力到冷卻，再到空間與維運，AI伺服器帶來的三大挑戰正重塑資料中心的設計邏輯。
雖然液冷提供更高效能的解方，但其建置成本與後續維運負擔也讓許多資料中心仍猶豫不前。
企業在導入高密度伺服器前，必須評估整體成本結構與長期擴展性。
唯有全面理解並提早規劃，才能建立具備彈性與效率的AI基礎設施。
👉 下一篇：AI伺服器如何改變資料中心設計邏輯？
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以下為參考資料來源：
McKinsey & Company：https://www.mckinsey.com/industries/technology-media-and-telecommunications/our-insights/ai-power-expanding-data-center-capacity-to-meet-growing-demand
RCR Wireless：https://www.rcrwireless.com/20250328/fundamentals/top-ai-datacenter-power
Cushman & Wakefield：https://www.cushmanwakefield.com/en/insights/global-data-center-market-comparison
西南證券研究所：https://www.fxbaogao.com/detail/4508054
Datacenter Dynamics：https://www.datacenterdynamics.com/en/opinions/liquid-cooling-in-your-white-space-addressing-the-concerns-for-increased-cooling-requirements/
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