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為了滿足數(shù)據(jù)中心日益增長的能源需求，加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們開發(fā)了一種新型芯片設(shè)計(jì)，有望改進(jìn)圖形處理器（GPU）的電源轉(zhuǎn)換和管理方式。這項(xiàng)技術(shù)展示了一種更高效的方式來完成電子領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)：將高電壓轉(zhuǎn)換為計(jì)算硬件所需的低電壓。在實(shí)驗(yàn)室測試中，原型芯片能夠高效地完成現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心常用的電壓轉(zhuǎn)換。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然通訊》上的進(jìn)展，有望推動(dòng)開發(fā)出更小、更節(jié)能的先進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)。

該芯片設(shè)計(jì)提供了一種提升電路元件——直流-直流降壓轉(zhuǎn)換器——性能的新方法。這種轉(zhuǎn)換器幾乎存在于所有電子設(shè)備中。降壓轉(zhuǎn)換器充當(dāng)電源和敏感電路之間的保護(hù)橋梁，將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為電路中每個(gè)元件安全運(yùn)行所需的低電壓。例如，數(shù)據(jù)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(jì)算需求的增長，在有限的空間內(nèi)高效地進(jìn)行這些級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換變得越來越困難。

例如，傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器在輸入輸出電壓差距較大時(shí)效率會(huì)降低，并且難以提供足夠的電流。大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)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(jìn)一步擴(kuò)展。“我們?cè)谠O(shè)計(jì)電感轉(zhuǎn)換器方面已經(jīng)做得非常出色，以至于幾乎沒有改進(jìn)空間來滿足未來的需求了，”該研究的資深作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工程學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)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(gè)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(zhí)行直流-直流降壓轉(zhuǎn)換的元件。為了便于比較，左側(cè)所示為傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器中常用的電感器

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

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Mercier及其研究團(tuán)隊(duì)成員，包括該研究的第一作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校電氣與計(jì)算機(jī)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(jī)械振動(dòng)存儲(chǔ)和傳輸能量。基于壓電技術(shù)的轉(zhuǎn)換器有望實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更高的能量密度、更高的效率，并且更容易大規(guī)模生產(chǎn)。“它們還有很大的發(fā)展空間，并且有可能提供比以往任何技術(shù)都更優(yōu)異的性能，”Mercier說道。

然而，早期基于壓電的轉(zhuǎn)換器在處理較大的電壓差時(shí)，難以保持效率并提供足夠的功率。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種改進(jìn)的降壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)使轉(zhuǎn)換器能夠更有效地處理更大的電壓轉(zhuǎn)換。研究團(tuán)隊(duì)將該設(shè)計(jì)應(yīng)用于原型芯片。測試表明，該芯片能夠?qū)?48 伏電壓轉(zhuǎn)換為 4.8 伏——這是數(shù)據(jù)中心常用的電壓等級(jí)——峰值效率高達(dá) 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(shè)計(jì)高出約四倍。

這種混合電路設(shè)計(jì)具有多項(xiàng)優(yōu)勢：它為電力流動(dòng)創(chuàng)建了多條路徑；減少了能量損耗；并減輕了諧振器的負(fù)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(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段，但研究人員表示，它代表著在克服現(xiàn)有功率轉(zhuǎn)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(jìn)材料、電路設(shè)計(jì)和封裝方面。Mercier解釋說，由于壓電諧振器會(huì)發(fā)生物理振動(dòng)，因此無法使用傳統(tǒng)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(tǒng)中。

“壓電轉(zhuǎn)換器目前還無法完全取代現(xiàn)有的電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)，”梅西耶補(bǔ)充道，“但它們?yōu)楦倪M(jìn)指明了方向。我們需要在材料、電路和封裝等多個(gè)方面持續(xù)改進(jìn)，才能使這項(xiàng)技術(shù)適用于數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。”

（來源：編譯自u(píng)csd）

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