研究人員將壓電諧振器與電容器相結(jié)合，打造出一套既能提升效率又能增大電流輸出的系統(tǒng)。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們開發(fā)出了一種全新的芯片架構(gòu)，有望重塑數(shù)據(jù)中心處理電力的方式。

該設(shè)計(jì)著力于改善圖形處理器將高壓電轉(zhuǎn)換為計(jì)算所需低壓電的過程。

初步測試顯示，原型芯片能以極高效率完成這一轉(zhuǎn)換，為打造更小巧、更節(jié)能的計(jì)算系統(tǒng)提供了一條可行路徑。

重新審視功率轉(zhuǎn)換的極限

這項(xiàng)突破的核心是一款經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的直流-直流降壓轉(zhuǎn)換器。

該元件在幾乎所有電子系統(tǒng)中都扮演著關(guān)鍵角色，負(fù)責(zé)將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為敏感芯片所能承受的安全可用電壓。

在美國大型數(shù)據(jù)中心中，電力通常以48伏電壓分配，而GPU的工作電壓一般在1至5伏之間。隨著計(jì)算需求的攀升，如何高效地彌合這一電壓鴻溝變得愈發(fā)困難。

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器依賴電感元件。這些磁性元件雖在不斷改進(jìn)，但現(xiàn)已面臨物理與性能瓶頸。在應(yīng)對大壓差的同時保持高電流輸出方面，它們尤其吃力。

“我們在設(shè)計(jì)電感式轉(zhuǎn)換器方面已趨于極致，幾乎沒有太多提升空間來滿足未來需求了，”該研究資深作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授帕特里克·梅西耶表示。

壓電技術(shù)路徑嶄露頭角

為突破上述限制，研究團(tuán)隊(duì)探索了壓電諧振器。這類器件通過機(jī)械振動而非磁場來存儲和傳輸能量。

壓電系統(tǒng)具備多項(xiàng)優(yōu)勢：體積更小、能量密度更高、在制造環(huán)節(jié)更易擴(kuò)展。不過，早期設(shè)計(jì)也面臨挑戰(zhàn)——在較大壓差下難以維持高效率并輸出足夠功率。

“它們還有巨大的成長空間，有潛力超越此前所有同類技術(shù)的表現(xiàn)，”梅西耶說。

團(tuán)隊(duì)通過一種混合設(shè)計(jì)解決了這些問題。他們將一個壓電諧振器與市面上常見的電容器以全新布局方式組合在一起。這種結(jié)構(gòu)為能量傳輸創(chuàng)造了多重路徑，減少了轉(zhuǎn)換過程中的損耗。

研究人員將這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在一款可工作的原型芯片上。實(shí)驗(yàn)室測試中，該芯片將48伏電壓降至4.8伏，峰值效率達(dá)96.2%。其輸出電流也比早期壓電系統(tǒng)高出約四倍。

這種混合方案在減輕諧振器壓力的同時提升了整體性能，且僅略微增大了尺寸，為未來實(shí)際部署提供了可行性。

工程挑戰(zhàn)與未來展望

盡管取得進(jìn)展，該技術(shù)仍處于研發(fā)階段。

壓電諧振器帶來了新的工程難題。由于它們會產(chǎn)生物理振動，工程師無法使用常規(guī)焊接方法進(jìn)行集成，必須開發(fā)新的封裝與整合策略。

“基于壓電的轉(zhuǎn)換器尚未完全準(zhǔn)備好取代現(xiàn)有電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，”梅西耶說，“但它指明了一條改進(jìn)路線。我們需要在材料、電路和封裝等多個領(lǐng)域持續(xù)深耕，才能讓這項(xiàng)技術(shù)真正適用于數(shù)據(jù)中心?！?/p>

隨著美國數(shù)據(jù)中心不斷擴(kuò)張以滿足人工智能與云服務(wù)的需求，更高效的電力系統(tǒng)將變得至關(guān)重要。這款新芯片設(shè)計(jì)為應(yīng)對能源挑戰(zhàn)提供了充滿希望的方向。

該研究發(fā)表于《自然·通訊》期刊。

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