新型壓電芯片效率達96.2%，電流輸出提升四倍，降低數據中心能耗

研究人員將壓電諧振器與電容器相結合，打造出一套既能提升效率又能增大電流輸出的系統。

加州大學圣地亞哥分校的工程師們開發出了一種全新的芯片架構，有望重塑數據中心處理電力的方式。

該設計著力于改善圖形處理器將高壓電轉換為計算所需低壓電的過程。

初步測試顯示，原型芯片能以極高效率完成這一轉換，為打造更小巧、更節能的計算系統提供了一條可行路徑。

重新審視功率轉換的極限

這項突破的核心是一款經過重新設計的直流-直流降壓轉換器。

該元件在幾乎所有電子系統中都扮演著關鍵角色，負責將較高的輸入電壓轉換為敏感芯片所能承受的安全可用電壓。

在美國大型數據中心中，電力通常以48伏電壓分配，而GPU的工作電壓一般在1至5伏之間。隨著計算需求的攀升，如何高效地彌合這一電壓鴻溝變得愈發困難。

傳統轉換器依賴電感元件。這些磁性元件雖在不斷改進，但現已面臨物理與性能瓶頸。在應對大壓差的同時保持高電流輸出方面，它們尤其吃力。

“我們在設計電感式轉換器方面已趨于極致，幾乎沒有太多提升空間來滿足未來需求了，”該研究資深作者、加州大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程系教授帕特里克·梅西耶表示。

壓電技術路徑嶄露頭角

為突破上述限制，研究團隊探索了壓電諧振器。這類器件通過機械振動而非磁場來存儲和傳輸能量。

壓電系統具備多項優勢：體積更小、能量密度更高、在制造環節更易擴展。不過，早期設計也面臨挑戰——在較大壓差下難以維持高效率并輸出足夠功率。

“它們還有巨大的成長空間，有潛力超越此前所有同類技術的表現，”梅西耶說。

團隊通過一種混合設計解決了這些問題。他們將一個壓電諧振器與市面上常見的電容器以全新布局方式組合在一起。這種結構為能量傳輸創造了多重路徑，減少了轉換過程中的損耗。

研究人員將這一設計實現在一款可工作的原型芯片上。實驗室測試中，該芯片將48伏電壓降至4.8伏，峰值效率達96.2%。其輸出電流也比早期壓電系統高出約四倍。

這種混合方案在減輕諧振器壓力的同時提升了整體性能，且僅略微增大了尺寸，為未來實際部署提供了可行性。

工程挑戰與未來展望

盡管取得進展，該技術仍處于研發階段。

壓電諧振器帶來了新的工程難題。由于它們會產生物理振動，工程師無法使用常規焊接方法進行集成，必須開發新的封裝與整合策略。

“基于壓電的轉換器尚未完全準備好取代現有電源轉換技術，”梅西耶說，“但它指明了一條改進路線。我們需要在材料、電路和封裝等多個領域持續深耕，才能讓這項技術真正適用于數據中心。”

隨著美國數據中心不斷擴張以滿足人工智能與云服務的需求，更高效的電力系統將變得至關重要。這款新芯片設計為應對能源挑戰提供了充滿希望的方向。

該研究發表于《自然·通訊》期刊。

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