铜为何是AI时代的石油？
快速阅读: 铜因AI发展重获关注，被视为AI时代的石油。高盛报告指出，铜在AI芯片和数据中心建设中扮演关键角色，预计到2030年全球数据中心电力需求激增160%，铜需求随之大幅增长。
铜是人类最早发现和使用的金属之一,早在公元前8000年,我们的祖先就开始用铜制作工具和装饰品。
现如今,这个古老的金属因为AI的发展而再次被人们关注。高盛在其研究报告《AI与国防将电网置于能源安全中心》里表达了这样一个观点:铜将成为AI时代的石油。
这非常“违和”,因为当人们谈论AI的崛起时,大多数人想到的是算法和模型,但很少有人意识到,计算结果并不是凭空产生的,必须依靠电力和硬件设备。ChatGPT日处理2亿次请求需消耗超过50万千瓦时电力,相当于1.7万户美国家庭的日用电量。
而支撑这一切的,正是这个来自于蛮荒时代的金属。
每个高端GPU芯片都需要大量铜材料用于导热和电路连接,这不是可有可无的配角,而是决定芯片性能的关键因素。
就拿现在整个AI界最火的H100来说,每个GPU里面有3273颗锡球,每颗锡球对应至少1-2条铜导线,而且其核心芯片连接部分还需数千根基础导线。这里面断掉任何一根铜导线都可能导致这个GPU停止运行。
当芯片功耗从几十瓦飙升到上千瓦,传统的散热方案已经彻底失效,只能依靠铜材料将热量传导至设备外部。
英伟达H100芯片的热设计功耗已达700W,而英伟达最新的GB300服务器单机柜功率密度最高可达130kW,和一台中小型柴油发电机差不多。要带走这些热量,必须依靠大量的铜制散热组件。
GPU制造只是冰山一角,真正的铜需求大户是数据中心的电网基础设施。
数据中心的铜消耗量正在以惊人的速度增长。根据施耐德电气的测算,1GW数据中心用铜量约6.58万吨,2023年全球数据中心装机规模为7.1GW,总用铜量达46.7万吨,占全球铜消费量的1.7%,预计到2026年将增长至71万吨。
但这仅仅是数据中心建设设备的用铜量,支撑算力运行的电网设施同样存在巨大的用铜需求,到2026年电网设施用铜量将达62.4万吨。
这并不是危言耸听,英伟达推出的GB200超级芯片使用铜缆连接方案,其机柜内部使用的电缆长度累计接近2英里。如果按照H100在2024年的出货量来参考,GB200也出货35万到40万台,那么它所需要的铜足足能达到3万吨。
在高盛的报告中写到:到2030年,全球数据中心电力需求预计激增160%,这意味着现有的电网基础设施需要大规模升级改造。
欧洲电网平均运行年限已达50年,北美电网超过40年,这些老化的电网不仅传输效率低下,难以承载日益增长的电力需求。在美国13个区域电力市场中,2024年夏季已有9个出现电力临界紧张状况,到2030年,几乎所有市场都将因为导电材料,面临用电短缺。
2024年,欧盟电网铜消费量约75万吨每年,北美约40万吨每年,中国约570万吨每年。瑞银预测,2024到2030年欧盟与北美电网铜消费年均增长3%,累计增量约25万吨。
电网升级为什么离不开铜?答案在于铜独特的物理特性。铜的导电效率是铝的1.6倍,电阻率极低,使用寿命可达30至50年,为铝制品的两倍以上。
在电力传输方面,铜的优势是不可替代的。高盛预测,到2030年,全球电网及电力基础设施建设将贡献60%的铜需求增长,这一增量相当于当前全球铜消费总量与美国年消费量之和。
高盛预计,铜价将在2027年达到每吨10750美元。国证有色金属行业指数强势上涨2.21%,有色ETF基金上涨2.41%,其中铜含量占比28.66%,市场已经开始反映这一趋势。
铜矿开采和精炼产能增长是非常有限的,过去十年全球铜矿产量复合平均增长率约2.1%。国际铜业研究组织(ICSG)在2025年10月下调了增长预期,2025年全球铜矿产量预计仅增长1.4%。
惠誉旗下BMI预测,未来十年全球铜矿产量年均增速,远低于新能源、AI 等领域催生的铜需求增长。其中最核心的原因在于优质铜矿资源减少,以智利矿山为例,铜采掘的平均品位从2010年的1.6%降至2024年的 1.1%。
那么铜的价格上涨几乎成为必然。
然而,铜价的上涨也在催生新的机遇。铝作为铜的重要替代品,正在迎来自己的高光时刻。虽然铝的导电性能不如铜,但在某些应用场景中,铝的成本优势和重量优势使其成为更好的选择。
在GPU散热领域,铝的应用已经相当广泛。GPU散热器上那些密密麻麻的、用于和空气进行热交换的薄片几乎都是铝制的,它们的目的是在有限的体积内提供最大的散热表面积。而且GPU的外部结构支架或护罩通常由铝或镁铝合金制成,这是为了在保证强度的同时,尽可能减轻重量。
仍以英伟达H100为例,其散热器上的铝制鳍片阵列体积庞大,总重量估计在300克到700克之间。
数据中心服务器的散热系统同样大量使用铝材。按照一个机柜配置80个GPU计算,如果全部采用铜制散热器,散热系统总重量将达到64-96公斤。而采用铝制散热器后,总重量仅为24-36公斤,减重40-60公斤。
不仅降低了机柜结构的承重压力,还能在相同承重条件下部署更多服务器,提升数据中心的算力密度。更重要的是,铝制散热器的成本仅为铜制散热器的40%-50%,在大规模部署时能够节省数百万元的投资。
在电力传输方面,铝缆的应用也在快速增长。铝缆广泛用于建筑物级别的大电流主干电力输送,例如从变电站到数据中心大楼,以及大楼内垂直和水平的主干电缆槽中的电缆。
虽然输送相同电力时铝缆需要比铜缆更粗的线径,但铝合金电缆的综合成本比铜电缆低约20%,且重量只有铜的三分之一左。对于长距离、固定铺设的场景,铝缆的优势更加明显。
瑞银对此也持乐观态度,对今明两年的铝价预测分别上调5%和2%。
全球铝产量持续增长,从2018年的6416.6万吨增长至2023年的7058.1万吨,年复合增速约1.9%。2024年全球电解铝产量预计达到7225万吨,较2023年增长2.17%。
中国是全球铝产量第一大国。截至2024年底,中国累计原铝产量约5.504亿吨,占全球累计产量的31.47%。2024年中国原铝产量约4400万吨,再创历史新高,占世界当年铝总产量的60.12%。
可是自2017年以来,中国启动电解铝行业供给侧改革,清理整顿违法违规产能,并设定了4500万吨的合规产能上限。截至2024年11月底,中国电解铝建成产能已达4502万吨,运行产能约4394万吨,产能利用率高达97.74%,意味着中国电解铝产能几乎已无增长空间,未来产量增长只能依靠开工率的微幅提升来实现。
与中国形成鲜明对比的是,海外铝产能正在加速扩张。2024年1-10月,海外电解铝产量达2482万吨,同比增长1.4%。随着此前关停产能的复产以及新建项目的投产,预计2025年海外电解铝产量增速将加快。
从产量占比来看,截至2024年10月,中国电解铝产量占全球产量的约60%,而海湾合作委员会国家和除中国外的其他亚洲国家产量占比分别为8.6%和6.6%。
虽然2025年全球铝市虽然维持小幅过剩,但到2026年,这一格局将彻底反转。美国银行,铝产业将会出现约29.2万吨的供应缺口,而铝价有望在2026年四季度攀升至每吨3000美元。
不过铜和铝只是这场AI革命的序幕,真正的大市场在于冷却和水。数据中心不只是用电大户,同时也是产热大户。
随着AI芯片功耗的持续攀升,传统的风冷散热方案已经走到了物理极限。风冷散热的上限一般为10kW到15kW每机柜,个别系统能做到20kW。但是面对现在这些GPU,再强风冷系统也就那么回事。
功率密度的限制使得风冷无法满足高功耗芯片的散热需求,巨大的能耗问题导致PUE(Power Usage Effectiveness能量使用效率)值居高不下,大量的风扇和风道还占用了宝贵的空间。
更严重的是,随着AI芯片功耗的进一步攀升,进一步加剧了眼前的困境。
液冷技术的优势是压倒性的。水的导热系数约0.6W/(m・K),而空气约0.024W/(m・K),也就是说,水的热导率是空气的25倍。
再看单位体积吸热能力,水的比热容是4.2kJ/(kg・K),空气的比热容是1.005kJ/(kg・K),水的比热容是空气的4.18倍,密度是空气的833倍。两者乘积约为3500倍。实际工程中,因冷却液流动效率更高,单位体积散热能力还会进一步提升。
液冷可大幅降低数据中心能耗20%到30%以上,将PUE降低至1.2以下,甚至在浸没式液冷方案中可以达到1.05。同时,液冷系统占空间更小,机房空间利用率可提升30%,在寸土寸金的核心城市尤其重要。
市场对液冷技术的需求正在爆发式增长。2025年全球液冷数据中心市场规模预计达28.4亿美元,同比增长44.9%,到2032年有望突破211.4亿美元,复合增长率33.2%。
目前主流的液冷技术包括冷板式、浸没式和喷淋式三大类。其中,冷板式液冷因改造成本低、兼容性强,占据当前液冷市场的主导地位。冷板式液冷通过液体与服务器发热部件间接接触的方式进行散热,将PUE控制在1.25以下。
就连英伟达也都在探索水冷板技术,他们正在推动一种叫做微通道水冷板(MLCP)的液冷方案。
因为要使用一种专用的冷却液,所以MLCP的单价大约是现有散热方案的3到5倍。但是单块MLCP可稳定应对2kW以上功耗,热流密度最高达800W/cm⊃2;,是热管技术的4倍左右。
因此,冷却液本身也是一个巨大的市场。根据MarketsandMarkets的预测,全球冷却液市场规模将从2025年的约28亿美元增长到2032年的211亿美元,复合年增长率高达33.2%。
另一方面,受欧盟PFAS(全氟和多氟烷基物质)限制法规的影响,环保型冷却液正在快速崛起,这种生物基和碳氢化合物制成的冷却液,市场份额预计将以18.4%的复合年增长率增长。
液冷技术的发展不仅仅是技术的进步,更代表着整个产业链的重构。
这些增长不是概念,不是炒作,而是实实在在的物理需求。算力的增长必然带来电力消耗的增长,电力消耗的增长必然带来铜的需求,散热需求的增长必然带来铝和冷却液的需求。
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(以上内容均由Ai生成)
