铜：数据中心的需求潜力究竟几何？$ST盛屯(SH600711)$$江西铜业(SH600362)$$云南铜业(SZ000878)$
摘要
AI智算产业加速了数据中心的迅猛发展，铜因其良好的性能，正逐渐成为数据中心革新升级的关键材料。从全球来看，数据中心用铜量占精铜需求比重快速增长，至2030年这一数字将增至3.5%，其潜力不容小觑。长期来看，数据中心将成为未来精铜消费的重要增长领域，由此加剧铜资源的短缺问题。
此外，英伟达于今年推出的GB200 NVL72作为一款新型高性能计算系统，其整体用铜量相对较少，未来三年内最乐观的情形下亦不超过1万吨，短期来看其对铜的需求影响暂可忽略不计，长期仍需观察这一产品的发展情况。
数据中心是现代信息技术的心脏，它们支撑着全球数字经济的脉动。2020年全球经数据中心处理的数据流量高达15.3ZB，占全球总流量的99.35%。而近期，高速铜缆的概念再度火爆，无不暗示着数字化转型时代催生传统金属再度向新兴领域进发。
由此，铜作为数据中心架构升级的关键材料，在人工智能高速发展的背景下，其需求量不可忽视，这将直接影响全球铜的需求结构和远期平衡。为了深入探寻数据中心对铜的需求影响，本文构建了一个基于三种不同市场预期的数据中心用铜需求预测模型，用以测算不同情形下数据中心的用铜需求，并进一步观察其在精铜消费中所占比重，探讨不同宏观预期变化下，数据中心对精铜消费市场的潜在影响。
此外，英伟达推出的GB200 NVL72作为可应用于数据中心的新型超级计算系统，其用铜量亦值得关注。本文同样对其构建用铜需求预测模型，分析其对数据中心整体用铜结构的影响。
一、AI产业迅速崛起引发数据中心建设热潮
近年来，大模型训练与推理等新型需求不断涌现，人工智能计算产业迅速崛起。数据显示，到2032年，全球AI产业规模预计将达到1.31万亿美元，近十年间的复合增长率高达43%。
图表1：全球AI产业规模
数据来源：根据新闻整理，中粮期货研究院
为了支撑AI+大算力所需的技术支持，数据中心成为提供计算、存储、分析等一系列服务的核心要素，进入爆发式增长时代。从市场规模来看，全球数据中心将在2024年达到904亿美元，同比增长9.9%。与此同时，中国数据中心规模也在高速增长，到2024年，其市场规模近427亿美元，同比增长26.8%，其在全球数据中心市场所占比重高达47.2%。
图表2：全球及中国数据中心规模
数据来源：根据新闻整理，中粮期货研究院
二、数据中心与GB200定义与架构
数据中心是收集、存储和处理大量数据的计算机服务器中心。它是一个专门设计的物理空间，可以是一个房间、一座建筑物或一个设施，容纳了用于构建、运行和交付应用程序及服务的IT基础设施。同时，它也用于存储和管理与这些应用程序和服务相关的数据。简而言之，数据中心是现代IT核心枢纽，提供了高效的数据存储、处理和传输平台。
图表3：数据中心架构
数据来源：公开资料整理，中粮期货研究院
整体来看，数据中心的硬件分为主设备和配套设备两类。
主设备用于实现计算和通信功能，主要由以服务器、存储为代表的IT算力设备与以交换器等为代表的通信设备构成。数据中心最基础的主设备为服务器，而TOR交换机（机架顶部交换机）则是负责连接本机架内部服务器的常见通信设备。TOR交换机通常放在机架顶部，有利于内部布线。现如今，在服务器内部与服务器机架顶部的短距离传输场景中，铜互联因其高性能与成本效益，正日益成为重要角色。
图表4：TOR交换机位置
数据来源：公开资料整理，中粮期货研究院
配套设备主要包括供配电系统和散热制冷系统等。目前，数据中心越来越倾向于在散热制冷系统中使用铜铝换热冷板以提高散热效率，这一方案正逐步成为新建数据中心的主流选择。
值得一提的是，除了以上两大主要组成部分之外，传统数据中心为了高带宽传输数据，普遍使用光纤替代网线，因此光纤、光模块和光通信设备成为了数据中心重要的组成部分。然而，光纤与光模块等存在材料成本高、散热效率低等问题，因而新型数据中心正逐步采用铜缆等铜制解决方案来替代，以解决现有痛点。
图表5：GB200 NVL72内部架构
数据来源：公开资料整理，中粮期货研究院
GB200 NVL72是英伟达在2024GTC大会上发布的超级计算机的机架规模设计，是一种专门为高性能计算任务设计的、模块化的计算系统，由多个计算节点组成，这些节点被安装在标准尺寸的机架中。其中，GB200是一款超级芯片，NVL72为机柜。GB200芯片连接两个高性能Blackwell GPU（B200）和一个Grace CPU。
每个NVL72机柜由18个Compute tray和9个NVLINK Switch tray组成。在每个NVLINK Switch tray中，升级至第四代的芯片（NVLink Switch4）通过新升级的第五代高性能连接接口（NVLinks5）实现与多块B200 GPU的连接。其中，为了确保产品性能与成本效益，连接部分引入了铜高速互联技术。
图表6：GB200 NVL72连接架构
数据来源：公开资料整理，中粮期货研究院
在实际互联架构中，GB200 NVL72采用了一种定制的高密度背板连接器和线背板模组，以实现B200 GPU与NVLink Switch芯片之间的机柜内互联。每个B200 GPU都连接到一个Paladin连接器（对应NVLinks5接口），之后使用SkewClear EXD Gen2电缆背板连接到NVLink Switch tray的背板Paladin连接器，再通过OverPass跳线电缆连接到NVLink Switch芯片。在整个互联环节中，铜缆、连接器与PCB（GPU和芯片载体）是我们测算整机用铜量的主要部分。下图红框区域展示了铜缆与背板互联的部分。
图表7：NVL72机柜背部密集的线背板互联
数据来源：公开资料整理，中粮期货研究院
三、应用场景及单位用量
随着AI算力需求的大幅增长，传统的数据中心囿于电缆串扰、数据传输效率低、散热效率低与成本高等问题，难以适配AI算力的快速发展。这进一步推动了数据中心网络架构的创新。为了降低成本能耗，提升数据传输与散热制冷效率，铜成为数据中心升级的关键材料。
在数据中心中，铜的应用主要为：配电设备占比75%、接地与互联占比22%、管道暖通空调占比3%。从配电设备来看，铜的应用主要集中于数据中心服务器内部的配电板、电缆、连机器及母线；从接地与互联来看，数据中心大多采用相对成本较低、功耗较低、可靠性更高的铜缆，结合光缆混合使用于短距离互连场景中。从散热制冷来看，铜主要用来制作铜铝换热冷板应用于数据中心的冷板式液冷技术，将热量传递至冷却液提升散热制冷效率。根据市场预期，数据中心单位用铜量约为2.5-5万吨/GW。
图表8：数据中心用铜结构
数据来源：公开资料整理，中粮期货研究院
英伟达发布的GB200 NVL72作为一款高性能计算系统，不仅在硬件上有所革新，还引入了高性能架构技术，增加了对铜材料的需求。高速铜缆互联是其主要的应用场景。NVL72使用5000根铜缆（每根含24根铜线），总长度接近2英里，完成了背板与背板、背板与芯片之间的高速互联，相较传统的光模块节省了约6倍成本。
图表9：高速铜互联主要应用部分
数据来源：公开资料整理，中粮期货研究院
GB200 NVL72各零件用铜量占比为：铜缆94.4%、连接器5.4%、PCB铜箔占0.3%，其中，铜缆用铜量最大。为了便于后续计算，本文将GB200 NVL72的单位用铜总量口径统一为0.09吨/台。
四、用铜量估算
为了更准确、合理地测算未来数据中心发展对铜需求的影响，我们以每年数据中心边际用电量与用铜单耗指标为依据建立需求模型，讨论在不同预期下，全球数据中心的用铜量表现。
结合市场预期，我们预计后续全球数据中心用电量的增长区间约为8%-23%，用铜单耗约为4万吨/GW，基于这一前提假设，我们测算了三种预期下的用铜需求总量。根据计算，2025年全球数据中心铜需求量区间为约为35-78万吨，中性预估下为53万吨；至2030年，这一数字在中性预估下或将增至107万吨。同样地，伴随国内数据中心的快速发展，相应用铜需求将从2025年的13万吨增长至2030年的25万吨，体现出数据中心行业对铜资源的依赖度将日益提升。
图表10：2020-2030年全球数据中心铜需求测算
数据来源：中粮期货研究院
此外，GB200 NVL72作为一款面向万亿参数AI大模型训练的高性能产品，其潜在的用铜需求逐渐引起公众关注。因此，为了探究GB200 NVL72未来对铜需求的影响，我们基于其整机各零件用铜量建立需求模型，讨论在不同预期下的用铜量变化。
出货情况方面，由于GB200 NVL72在量产准备过程中似乎发现芯片的设计缺陷，今年下半年的量产计划可能将推迟，我们悲观预期2024年出货量约为2000台；而倘若GB200 NVL72因其强大性能引发市场热烈反响，相应问题若得到有效解决，乐观情况下2024年出货量或达6000台。
基于此，我们得出今年其用铜需求总量约为0.02-0.06万吨，中性预估为0.04万吨。另外，根据预期，至2026年，GB200 NVL72对铜的消费量预计将增至0.4-0.9万吨，中性预估为0.6万吨。
图表11：2024-2026年GB200 NVL72铜需求测算
数据来源：中粮期货研究院
结合全球数据中心用铜量，无论在哪种预期情况下，我们发现，短期内GB200 NVL72的用铜量较少，其占全球数据中心的需求比重同样较小。
最后，为了观察数据中心建设对于整体精铜消费的拉动作用，以此评估这一行业对铜资源消耗的影响力，我们结合铜自身需求预期，测算全球数据中心的用铜量占比。
图表12：全球数据中心用铜需求占比
数据来源：中粮期货研究院
长期来看，全球数据中心用铜量占铜需求比重逐年上升。中性预期下，2025年全球数据中心铜需求占比将提升至1.9%，2030年将达到3.5%；乐观情形下，2030年这一比重将超过5%；最悲观的预期下，这一比重也将超2%。因此我们可以合理认为，除了风光及新能源车之外，数据中心将在近几年内成为全球铜消费的又一重要领域。当然，我们也不排除，若未来伴随技术的提升出现更高效的铜缆制造和回收技术，数据中心用铜需求的高速增长态势或有所转变。
此外，若如预期般全球数据中心用铜量于2030年超100万吨，铜元素本就紧张的供需矛盾或将有所加剧，铜矿供应端没有明显增量的前提下，铜的供需平衡或将面临较大挑战。
五、总结
综上所述，AI智算产业加速了数据中心的迅猛发展，铜因其良好的性能，正逐渐成为数据中心革新升级的关键材料。从全球来看，数据中心用铜量占精铜需求比重快速增长，至2030年这一数字将增至3.5%，其潜力不容小觑。长期来看，数据中心将成为未来精铜消费的重要增长领域，由此加剧铜资源的短缺问题。
此外，英伟达于今年推出的GB200 NVL72作为一款新型高性能计算系统，其整体用铜量相对较少，未来三年内最乐观的情形下亦不超过1万吨，短期来看其对铜的需求影响暂可忽略不计，长期仍需观察这一产品的发展情况。
（感谢潘齐媛对本文做出的贡献）
徐婉秋 中粮期货研究院 有色资深研究员 交易咨询号：Z0019515
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