這款新芯片有望大幅提升GPU效率

這款芯片在模擬現代數據中心的工況下，實現了高效率電壓轉換。

加州大學圣地亞哥分校的工程師研發出一款新型芯片，通過優化向GPU的供電方式，有望大幅提升數據中心的能源利用效率。

隨著數據中心耗電量持續攀升，加州大學圣地亞哥分校科研團隊推出全新芯片設計，旨在優化圖形處理器（GPU）的供電調控方式。該研究聚焦電子領域的一大基礎難題：如何將高壓電高效轉換至計算硬件所需的低壓等級。在實驗室原型測試中，這款芯片在模擬現代數據中心的工況下，實現了高效率電壓轉換。該項研究成果發表于《自然?通訊》期刊，有望助力研發體積更小、能效更高的計算系統。

新型DC-DC降壓轉換芯片置于美分硬幣上用以參照尺寸

革新DC-DC降壓轉換器工作機制

此次新設計重新改良了DC-DC降壓轉換器這一幾乎所有電子設備都在使用的通用元器件。轉換器相當于電源與精密電路之間的防護樞紐，可將輸入電壓降至各元器件安全工作所需的標準電壓。

在大型算力設施中，供電通常采用48伏標準電壓；而GPU所需電壓遠低于此，一般僅為1至5伏。隨著設備性能不斷提升、內部空間日趨緊湊，實現大壓差下的高效電壓轉換變得愈發困難。

傳統電源轉換技術存在瓶頸

傳統降壓轉換器在輸入與輸出電壓差距較大時，會出現效率下降、輸出電流供給不足等問題。現有多數設計依賴電感等磁性元器件，這類器件雖經過長期迭代優化，性能已逼近物理極限，難以滿足未來技術的規模化升級需求。

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、本研究通訊作者PatrickMercier表示：“電感式轉換器的設計已趨于極致，很難再有大幅提升空間，無法適配未來的發展需求。”

新型芯片用于DC-DC降壓轉換的壓電諧振器（白色圓盤）；左側為傳統降壓轉換器常用的電感，用作對比參照。

壓電諧振器開辟全新技術路線

為尋找替代方案，Mercier帶領團隊研究采用壓電諧振器的可行性。這類微型器件依靠機械振動實現能量存儲與傳輸，而非傳統的磁場原理。

基于壓電元器件的轉換器具備多重優勢：體積更小、能量密度更高、轉換效率更優，且更適合大規模量產。Mercier稱：“該技術還有巨大的提升空間，性能有潛力超越以往所有傳統方案。”

不過早期版本的壓電轉換器，在處理大壓差工況時，始終難以兼顧轉換效率與功率輸出能力。

混合電路設計實現超高能效

為突破上述難題，研究團隊研發出壓電諧振器+商用微型電容組合的混合電路架構，通過特定布局排布電容，可更高效地處理大幅度電壓壓降。

團隊將該設計集成為原型芯片并開展實驗室測試，成功將48伏電壓降至數據中心通用的4.8伏，峰值轉換效率達96.2%；輸出電流能力相較早期壓電方案提升約三倍。

新型DC-DC降壓轉換芯片測試電路板，中央為芯片本體，周圍排布電容；壓電諧振器安裝在電路板底部，與芯片電路連通。

全新芯片設計的核心優勢

這種混合架構優勢顯著：可為電路提供多條電能傳輸路徑，減少能量損耗，同時降低壓電諧振器的負載壓力。在僅小幅增加芯片整體體積的前提下，實現更高轉換效率與更強供電能力。

現存挑戰與未來研發方向

該技術目前仍處于早期研發階段，但為突破傳統電源轉換器瓶頸邁出了關鍵一步。后續研究將聚焦材料優化、電路性能迭代以及封裝工藝改良。

Mercier解釋，實際應用中存在一大難題：壓電諧振器工作時會產生振動，無法采用常規焊接工藝固定在電路板上，需要開發全新的集成封裝方式。他補充道：“壓電式轉換器目前還無法直接替代現有供電方案，但具備清晰的升級潛力。我們需要從材料、電路、封裝多維度持續優化，才能真正落地應用于數據中心場景。”

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