一項技術，旨在革命GPU供電

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為了滿足數據中心日益增長的能源需求，加州大學圣地亞哥分校的工程師們開發了一種新型芯片設計，有望改進圖形處理器（GPU）的電源轉換和管理方式。這項技術展示了一種更高效的方式來完成電子領域的一項關鍵任務：將高電壓轉換為計算硬件所需的低電壓。在實驗室測試中，原型芯片能夠高效地完成現代數據中心常用的電壓轉換。

這項發表在《自然通訊》上的進展，有望推動開發出更小、更節能的先進計算系統。

該芯片設計提供了一種提升電路元件——直流-直流降壓轉換器——性能的新方法。這種轉換器幾乎存在于所有電子設備中。降壓轉換器充當電源和敏感電路之間的保護橋梁，將高輸入電壓轉換為電路中每個元件安全運行所需的低電壓。例如，數據中心通常以 48 伏電壓供電，而 GPU 中的處理器則需要低得多的電壓，通常在 1 到 5 伏之間。

然而，隨著計算需求的增長，在有限的空間內高效地進行這些級別之間的轉換變得越來越困難。

例如，傳統的降壓轉換器在輸入輸出電壓差距較大時效率會降低，并且難以提供足夠的電流。大多數降壓轉換器依賴于電感器等磁性元件，雖然這些元件有效，但它們的物理性能已接近極限，并且越來越難以進一步擴展。“我們在設計電感轉換器方面已經做得非常出色，以至于幾乎沒有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 (Patrick Mercier) 表示。

一枚美國一美分硬幣上有一個小小的長方形金色電路

圖中所示的壓電諧振器（白色圓盤）是新型芯片用于執行直流-直流降壓轉換的元件。為了便于比較，左側所示為傳統降壓轉換器中常用的電感器

圖中所示為新型 DC-DC 降壓轉換芯片，旁邊放一枚美國一美分硬幣作為比例尺。

為了應對這一挑戰，Mercier及其研究團隊成員，包括該研究的第一作者、加州大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程博士生Jae-Young Ko，探索了一種極具前景的替代方案：壓電諧振器。壓電諧振器是一種微型裝置，能夠通過機械振動存儲和傳輸能量。基于壓電技術的轉換器有望實現更小的尺寸、更高的能量密度、更高的效率，并且更容易大規模生產。“它們還有很大的發展空間，并且有可能提供比以往任何技術都更優異的性能，”Mercier說道。

然而，早期基于壓電的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。

在這項研究中，研究團隊開發了一種改進的降壓轉換器，它將壓電諧振器與小型商用電容器巧妙地組合在一起。這種新的電路設計使轉換器能夠更有效地處理更大的電壓轉換。研究團隊將該設計應用于原型芯片。測試表明，該芯片能夠將 48 伏電壓轉換為 4.8 伏——這是數據中心常用的電壓等級——峰值效率高達 96.2%。此外，該芯片的輸出電流也比以往基于壓電諧振器的設計高出約四倍。

這種混合電路設計具有多項優勢：它為電力流動創建了多條路徑；減少了能量損耗；并減輕了諧振器的負載。因此，它能夠在尺寸略微增加的情況下，顯著提高效率和功率輸出。

盡管這項技術仍處于早期階段，但研究人員表示，它代表著在克服現有功率轉換器局限性方面邁出的重要一步。未來的工作將集中在改進材料、電路設計和封裝方面。Mercier解釋說，由于壓電諧振器會發生物理振動，因此無法使用傳統方法將其焊接在電路板上，需要采用不同的策略才能將其集成到電子系統中。

“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。”

（來源：編譯自ucsd）

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