隨著數(shù)據(jù)中心為滿足日益增長的數(shù)字化需求而消耗越來越多的能源，加州大學圣地亞哥分校的工程師們推出了一種新型芯片設計方案，有望提升圖形處理器（GPU）的供電效率。這一創(chuàng)新聚焦于電子領(lǐng)域的核心功能：將高電壓轉(zhuǎn)換為計算硬件所需的低電壓。在實驗室測試中，原型芯片在模擬現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的條件下，以較高的效率完成了電壓轉(zhuǎn)換。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然通訊》期刊，表明該技術(shù)在先進計算環(huán)境中構(gòu)建更小型、更節(jié)能系統(tǒng)方面具有重要潛力。

重新審視現(xiàn)代電子設備中的DC-DC轉(zhuǎn)換器

新設計的核心是對一種廣泛應用的元件——DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器——的改進版本。這類轉(zhuǎn)換器幾乎存在于所有電子設備中，是電源與敏感電路之間的關(guān)鍵紐帶，其作用是將較高的輸入電壓降低至設備安全運行所需的精確電壓水平。

在數(shù)據(jù)中心中，電力通常以48伏特的電壓進行分配，而GPU處理器所需的電壓通常要低得多，一般在1至5伏特之間。隨著計算系統(tǒng)變得越來越強大、越來越緊湊，如何高效管理這一大幅度的電壓降變得愈發(fā)具有挑戰(zhàn)性。

傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的局限性

傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器在處理輸入與輸出電壓差較大時往往力不從心。隨著電壓差的增大，轉(zhuǎn)換效率下降，輸出足夠電流也變得更加困難。現(xiàn)有大多數(shù)設計依賴電感等磁性元件，盡管這些元件經(jīng)過多年改進，但已接近其實際性能極限，難以進一步提升。

"我們在電感轉(zhuǎn)換器的設計上已經(jīng)做得相當出色，幾乎沒有太多空間可以繼續(xù)改進以滿足未來需求。"該研究的通訊作者、加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院電氣與計算機工程系教授Patrick Mercier表示。

探索壓電諧振器的替代方案

為了突破這些限制，Mercier及其團隊——包括第一作者、加州大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程專業(yè)博士生Jae-Young Ko——研究了一種基于壓電諧振器的全新方案。這類小型器件通過機械振動而非磁場來存儲和傳遞能量。

基于壓電元件的轉(zhuǎn)換器具備多項潛在優(yōu)勢：體積更小、能量密度更高、效率更優(yōu)，且更易于規(guī)模化制造。"它們還有很大的發(fā)展空間，有潛力超越此前任何技術(shù)所能達到的性能水平。"Mercier說道。

然而，早期版本的壓電轉(zhuǎn)換器在處理大電壓差時，往往難以維持高效率并輸出足夠的功率。

混合設計實現(xiàn)高效率與高功率輸出

為解決上述問題，研究團隊設計了一種混合轉(zhuǎn)換器，將壓電諧振器與經(jīng)過精心排列的小型商用電容器相結(jié)合。這一配置使系統(tǒng)能夠更有效地處理較大的電壓轉(zhuǎn)換需求。

團隊將該設計集成到原型芯片中并進行了性能測試。該器件成功將48伏特電壓降至4.8伏特——這是數(shù)據(jù)中心中常見的電壓需求——峰值效率達96.2%，輸出電流約為此前壓電方案的四倍。

這種混合方案具有多重優(yōu)勢：為能量流動提供多條路徑、減少功率損耗、降低諧振器所承受的壓力。上述改進在僅略微增加芯片尺寸的前提下，同時提升了效率和功率輸出能力。

邁向?qū)嶋H應用的挑戰(zhàn)與下一步計劃

盡管該技術(shù)展現(xiàn)出強勁的發(fā)展前景，但目前仍處于研發(fā)早期階段。研究人員將其視為突破現(xiàn)有電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)局限的重要一步。未來工作將聚焦于材料優(yōu)化、電路設計改進以及封裝方法的創(chuàng)新。

Mercier指出，壓電諧振器在工作時會發(fā)生物理振動，這意味著它們無法通過標準焊接工藝固定在電路板上，因此需要開發(fā)全新的集成方式才能將其應用于電子系統(tǒng)。

"基于壓電技術(shù)的轉(zhuǎn)換器目前還不能完全取代現(xiàn)有的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，"Mercier補充道，"但它們提供了一條可持續(xù)改進的發(fā)展路徑。我們需要在材料、電路和封裝等多個方面持續(xù)突破，才能讓這項技術(shù)真正達到數(shù)據(jù)中心應用的要求。"

本項目部分獲得由美國國家科學基金會資助的電源管理集成中心（PMIC）的支持，該中心為產(chǎn)學合作研究中心（IUCRC），項目編號為2052809。

Q&A

Q1：這款新型芯片是如何提升數(shù)據(jù)中心能源效率的？

A：該芯片采用混合轉(zhuǎn)換器設計，將壓電諧振器與商用電容器結(jié)合，能將數(shù)據(jù)中心常用的48伏特電壓高效降至4.8伏特，峰值轉(zhuǎn)換效率達96.2%，同時輸出電流約為此前壓電方案的四倍，有效減少電壓轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗。

Q2：壓電諧振器相比傳統(tǒng)電感元件有哪些優(yōu)勢？

A：壓電諧振器通過機械振動存儲和傳遞能量，相比傳統(tǒng)磁性電感元件，具有體積更小、能量密度更高、轉(zhuǎn)換效率更優(yōu)、更易規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點。傳統(tǒng)電感轉(zhuǎn)換器已接近性能極限，而壓電技術(shù)仍有較大提升空間。

Q3：壓電轉(zhuǎn)換器目前面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？

A：主要挑戰(zhàn)在于壓電諧振器工作時會產(chǎn)生物理振動，無法用標準焊接方式固定在電路板上，需要開發(fā)新的集成封裝工藝。此外，材料性能和電路設計也有待進一步優(yōu)化，目前該技術(shù)尚未達到數(shù)據(jù)中心大規(guī)模應用的要求。