为了满足数据中心日益增长的能源需求，加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发了一种新型芯片设计，有望改进图形处理器（GPU）的电源转换和管理方式。这项技术展示了一种更高效的方式来完成电子领域的一项关键任务：将高电压转换为计算硬件所需的低电压。在实验室测试中，原型芯片能够高效地完成现代数据中心常用的电压转换。
这项发表在《自然通讯》上的进展，有望推动开发出更小、更节能的先进计算系统。
该芯片设计提供了一种提升电路元件——直流-直流降压转换器——性能的新方法。这种转换器几乎存在于所有电子设备中。降压转换器充当电源和敏感电路之间的保护桥梁，将高输入电压转换为电路中每个元件安全运行所需的低电压。例如，数据中心通常以 48 伏电压供电，而 GPU 中的处理器则需要低得多的电压，通常在 1 到 5 伏之间。
然而，随着计算需求的增长，在有限的空间内高效地进行这些级别之间的转换变得越来越困难。
例如，传统的降压转换器在输入输出电压差距较大时效率会降低，并且难以提供足够的电流。大多数降压转换器依赖于电感器等磁性元件，虽然这些元件有效，但它们的物理性能已接近极限，并且越来越难以进一步扩展。“我们在设计电感转换器方面已经做得非常出色，以至于几乎没有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 (Patrick Mercier) 表示。
一枚美国一美分硬币上有一个小小的长方形金色电路
图中所示的压电谐振器（白色圆盘）是新型芯片用于执行直流-直流降压转换的元件。为了便于比较，左侧所示为传统降压转换器中常用的电感器
图中所示为新型 DC-DC 降压转换芯片，旁边放一枚美国一美分硬币作为比例尺。
元股证券:ygzq.hk为了应对这一挑战，Mercier及其研究团队成员，包括该研究的第一作者、加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程博士生Jae-Young Ko，探索了一种极具前景的替代方案：压电谐振器。压电谐振器是一种微型装置，能够通过机械振动存储和传输能量。基于压电技术的转换器有望实现更小的尺寸、更高的能量密度、更高的效率，并且更容易大规模生产。“它们还有很大的发展空间，并且有可能提供比以往任何技术都更优异的性能，”Mercier说道。
然而，早期基于压电的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。
在这项研究中，研究团队开发了一种改进的降压转换器，它将压电谐振器与小型商用电容器巧妙地组合在一起。这种新的电路设计使转换器能够更有效地处理更大的电压转换。研究团队将该设计应用于原型芯片。测试表明，该芯片能够将 48 伏电压转换为 4.8 伏——这是数据中心常用的电压等级——峰值效率高达 96.2%。此外，该芯片的输出电流也比以往基于压电谐振器的设计高出约四倍。
这种混合电路设计具有多项优势：它为电力流动创建了多条路径；减少了能量损耗；并减轻了谐振器的负载。因此，它能够在尺寸略微增加的情况下，显著提高效率和功率输出。
尽管这项技术仍处于早期阶段，但研究人员表示，它代表着在克服现有功率转换器局限性方面迈出的重要一步。未来的工作将集中在改进材料、电路设计和封装方面。Mercier解释说，由于压电谐振器会发生物理振动，因此无法使用传统方法将其焊接在电路板上，需要采用不同的策略才能将其集成到电子系统中。
“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ucsd）
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