加州大学圣地亚哥分校的工程师们设计了一种新型芯片，它通过改进向 GPU 供电的方式，可以大大提高数据中心的能源效率。
随着数据中心耗电量持续增长，加州大学圣地亚哥分校的工程师们研发出一种新型芯片，旨在提升图形处理器（GPU）的电源管理效率。这项研究聚焦于电子学领域的一项根本性挑战：如何高效地将高电压转换为计算硬件所需的低电压。在实验室测试中，原型芯片在与现代数据中心类似的条件下，高效地完成了这种电压转换。
这项发表在《自然通讯》上的研究成果，有望推动开发更小巧、更节能的计算系统。
新设计重新构思了一种名为DC-DC降压转换器的常用元件，几乎所有电子设备中都包含这种元件。这些转换器起到电源和精密电路之间的保护作用，将输入电压降低到每个元件安全运行所需的水平。
在大规模计算环境中，电力通常以 48 伏电压分配。然而，GPU 所需的电压要低得多，通常在 1 到 5 伏之间。随着系统性能的提升和空间的日益受限，如何有效地管理这种巨大的电压降变得越来越困难。
传统降压转换器在处理输入输出电压差异较大时会面临性能挑战。效率往往会降低，而且更难提供足够的电流。大多数现有设计依赖于电感器等磁性元件。虽然这些元件经过不断改进，但它们已接近实际应用极限，并且越来越难以满足未来的需求。
“我们在设计电感转换器方面已经做得非常出色，以至于没有太多改进空间来满足未来的需求了，”该研究的资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院电气与计算机工程系教授帕特里克·默西埃说。
为了探索其他方案，梅西耶和他的团队（包括第一作者、加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程博士生高在永）研究了压电谐振器的应用。这些小型装置通过机械振动而非磁场来存储和传输能量。
基于压电元件的转换器具有诸多优势，包括尺寸更小、能量密度更高、效率更高以及更易于大规模生产。“它们还有很大的发展空间，并且有可能提供比以往任何产品都更优异的性能，”梅西耶说道。
不过，早期版本的这些转换器在处理较大的电压差时，难以保持效率并提供足够的功率。
为了克服这些挑战，研究人员开发了一种混合设计，将压电谐振器与以特定方式排列的小型商用电容器相结合。这种方法使转换器能够更有效地应对更大的电压降。
该设计被集成到原型芯片中，并在实验室进行了测试。它成功地将48伏电压转换为4.8伏——这是数据中心常用的电压水平——峰值效率达到96.2%。与早期基于压电效应的设计相比，该芯片的输出电流也提高了约四倍。
这种混合式设计具有多项优势。它为电流在电路中的流动创建了多条路径，减少了能量损耗，并降低了谐振器的负载。这些改进提高了效率和功率输出，而芯片的整体尺寸仅略有增加。
尽管前景广阔，但这项技术仍处于早期阶段。研究人员认为，它是解决现有功率转换器局限性的重要一步。未来的工作将集中在材料改进、电路性能提升和封装方法优化等方面。
一个实际挑战是，压电谐振器在工作过程中会振动，这意味着它们无法使用标准焊接技术连接到电路板上。Mercier解释说，需要新的集成方法才能将它们集成到电子系统中。
“压电转换器目前还无法完全取代现有的电源转换器技术，”梅西耶补充道，“但它们为改进指明了方向。我们需要在材料、电路和封装等多个方面持续改进，才能使这项技术适用于数据中心应用。”
来源：编译自scitechdaily
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