加州大學聖地亞哥分校的工程師們開發了一種全新的晶片架構，有望改變數據中心的電力處理方式。這項設計著重於改善圖形處理單元（GPU）如何將高電壓電力轉換為計算所需的低電壓水平。初步測試顯示，這款原型晶片能以高效率執行此轉換，為更小型和更節能的計算系統提供了一條潛在的道路。
在這項突破的核心是一種重新設計的 DC-DC 降壓轉換器。這一組件在幾乎所有電子系統中都扮演著重要角色，能將更高的輸入電壓轉換為安全可用的電壓水平，以供敏感晶片使用。在美國的大型數據中心，電力通常以 48 伏特分配。然而，GPU 通常在 1 伏特到 5 伏特之間運作。隨著計算需求的增加，高效地縮小這一差距變得愈加困難。
傳統轉換器依賴於電感器。這些磁性元件雖然逐步改善，但目前已面臨物理和性能的限制。它們在處理大電壓差的同時，保持高電流輸出也存在困難。「我們在設計電感轉換器方面已經做到相當出色，幾乎沒有太多空間來進一步改善，以滿足未來的需求，」該研究的高級作者、加州大學聖地亞哥分校電氣與計算機工程教授 Patrick Mercier 說。
為了超越這些限制，研究團隊探索了壓電共振器。這些裝置通過機械振動而非磁場來儲存和傳輸能量。壓電系統承諾提供幾個優勢，包括縮小尺寸、提高能量密度以及在製造上更易於擴展。然而，早期設計面臨挑戰，難以在大電壓差下保持效率並提供足夠的電力。「它們還有很大的成長空間，並有潛力提供比以往任何技術更好的性能，」Mercier 表示。
團隊通過混合設計來解決這些問題，將壓電共振器與商業可用的電容器以新配置進行組合。這一設置創造了多條能量流動的通道，並減少了轉換過程中的損失。研究人員在一個工作原型晶片中實施了這一設計。在實驗室測試中，它能將 48 伏特轉換為 4.8 伏特，峰值效率達到 96.2%。此外，該晶片的輸出電流約為早期壓電系統的四倍。混合方法減少了共振器的壓力，同時改善了整體性能，並且僅以適度的尺寸增長實現這些增益，使其在未來的應用中更具實用性。
儘管取得了進展，這項技術仍在開發中。壓電共振器引入了新的工程挑戰。由於其物理振動，工程師無法使用標準的焊接方法進行整合。因此，需要新的封裝和整合策略。「基於壓電的轉換器尚未準備好取代現有的電力轉換技術，」Mercier 說。「但它們為改進提供了未來的方向。我們需要在材料、電路和封裝等多個領域持續改進，以使這項技術適合數據中心的應用。」
隨著美國數據中心擴展以滿足人工智能和雲端需求，更高效的電力系統將變得至關重要。這款新晶片設計為應對這些能源挑戰提供了有希望的方向。這項研究已發表在《自然通訊》期刊上。
