革命DC-DC設計，大幅提升GPU效率

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加州大學圣地亞哥分校的工程師們設計了一種新型芯片，它通過改進向 GPU 供電的方式，可以大大提高數據中心的能源效率。

隨著數據中心耗電量持續增長，加州大學圣地亞哥分校的工程師們研發出一種新型芯片，旨在提升圖形處理器（GPU）的電源管理效率。這項研究聚焦于電子學領域的一項根本性挑戰：如何高效地將高電壓轉換為計算硬件所需的低電壓。在實驗室測試中，原型芯片在與現代數據中心類似的條件下，高效地完成了這種電壓轉換。

這項發表在《自然通訊》上的研究成果，有望推動開發更小巧、更節能的計算系統。

新設計重新構思了一種名為DC-DC降壓轉換器的常用元件，幾乎所有電子設備中都包含這種元件。這些轉換器起到電源和精密電路之間的保護作用，將輸入電壓降低到每個元件安全運行所需的水平。

在大規模計算環境中，電力通常以 48 伏電壓分配。然而，GPU 所需的電壓要低得多，通常在 1 到 5 伏之間。隨著系統性能的提升和空間的日益受限，如何有效地管理這種巨大的電壓降變得越來越困難。

傳統降壓轉換器在處理輸入輸出電壓差異較大時會面臨性能挑戰。效率往往會降低，而且更難提供足夠的電流。大多數現有設計依賴于電感器等磁性元件。雖然這些元件經過不斷改進，但它們已接近實際應用極限，并且越來越難以滿足未來的需求。

“我們在設計電感轉換器方面已經做得非常出色，以至于沒有太多改進空間來滿足未來的需求了，”該研究的資深作者、加州大學圣地亞哥分校雅各布工程學院電氣與計算機工程系教授帕特里克·默西埃說。

為了探索其他方案，梅西耶和他的團隊（包括第一作者、加州大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程博士生高在永）研究了壓電諧振器的應用。這些小型裝置通過機械振動而非磁場來存儲和傳輸能量。

基于壓電元件的轉換器具有諸多優勢，包括尺寸更小、能量密度更高、效率更高以及更易于大規模生產。“它們還有很大的發展空間，并且有可能提供比以往任何產品都更優異的性能，”梅西耶說道。

不過，早期版本的這些轉換器在處理較大的電壓差時，難以保持效率并提供足夠的功率。

為了克服這些挑戰，研究人員開發了一種混合設計，將壓電諧振器與以特定方式排列的小型商用電容器相結合。這種方法使轉換器能夠更有效地應對更大的電壓降。

該設計被集成到原型芯片中，并在實驗室進行了測試。它成功地將48伏電壓轉換為4.8伏——這是數據中心常用的電壓水平——峰值效率達到96.2%。與早期基于壓電效應的設計相比，該芯片的輸出電流也提高了約四倍。

這種混合式設計具有多項優勢。它為電流在電路中的流動創建了多條路徑，減少了能量損耗，并降低了諧振器的負載。這些改進提高了效率和功率輸出，而芯片的整體尺寸僅略有增加。

盡管前景廣闊，但這項技術仍處于早期階段。研究人員認為，它是解決現有功率轉換器局限性的重要一步。未來的工作將集中在材料改進、電路性能提升和封裝方法優化等方面。

一個實際挑戰是，壓電諧振器在工作過程中會振動，這意味著它們無法使用標準焊接技術連接到電路板上。Mercier解釋說，需要新的集成方法才能將它們集成到電子系統中。

“壓電轉換器目前還無法完全取代現有的電源轉換器技術，”梅西耶補充道，“但它們為改進指明了方向。我們需要在材料、電路和封裝等多個方面持續改進，才能使這項技術適用于數據中心應用?！?/p>

（來源：編譯自scitechdaily）

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