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(xué)圣地亞哥分校的工程師們推出了一種新型芯片設(shè)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(shè)備中的DC-DC轉(zhuǎn)換器

新設(shè)計的核心是對一種廣泛應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)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(xué)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)?；圃?。"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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)用的要求。"

本項目部分獲得由美國國家科學(xué)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(xué)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(shè)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)?；a(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(shè)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(yīng)用的要求。