Você pode atualizar o Active Directory para o Windows Server 2008 R2 adicionando um ou dois novos DCs ao ambiente existente e removendo o Windows 2000 DC; as etapas exatas são um pouco mais complexas, mas esse é o processo básico. Você não pode executar uma atualização in-loco do Windows 2000 Server para o Windows Server 2008 R2, então você precisará de um novo hardware.
Com o Exchange, você tem um problema maior: não há caminho de migração direta entre o Exchange 2000 e o Exchange 2010; você terá que primeiro realizar uma migração de 2000 a 2000 e, em seguida, uma de 2003 e de 2010. Ambos exigem a instalação de um novo servidor dedicado, já que as atualizações in-loco do Exchange não são suportadas (e nem seriam possíveis devido a requisitos de sistema operacional completamente diferentes).
Para esclarecer: você não precisa para criar um novo Active Directory com uma nova organização do Exchange; Todas as etapas de migração descritas acima podem (e devem ) ser executadas em seu ambiente existente. Migrar tudo para uma nova infraestrutura de AD / Exchange seria muito mais difícil e totalmente desnecessário.