革命DC-DC設(shè)計(jì)，大幅提升GPU效率

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加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型芯片，它通過改進(jìn)向 GPU 供電的方式，可以大大提高數(shù)據(jù)中心的能源效率。

隨著數(shù)據(jù)中心耗電量持續(xù)增長，加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們研發(fā)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(xiàng)研究聚焦于電子學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)根本性挑戰(zhàn)：如何高效地將高電壓轉(zhuǎn)換為計(jì)算硬件所需的低電壓。在實(shí)驗(yàn)室測試中，原型芯片在與現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心類似的條件下，高效地完成了這種電壓轉(zhuǎn)換。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然通訊》上的研究成果，有望推動(dòng)開發(fā)更小巧、更節(jié)能的計(jì)算系統(tǒng)。

新設(shè)計(jì)重新構(gòu)思了一種名為DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的常用元件，幾乎所有電子設(shè)備中都包含這種元件。這些轉(zhuǎn)換器起到電源和精密電路之間的保護(hù)作用，將輸入電壓降低到每個(gè)元件安全運(yùn)行所需的水平。

在大規(guī)模計(jì)算環(huán)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(tǒng)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(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器在處理輸入輸出電壓差異較大時(shí)會(huì)面臨性能挑戰(zhàn)。效率往往會(huì)降低，而且更難提供足夠的電流。大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)依賴于電感器等磁性元件。雖然這些元件經(jīng)過不斷改進(jìn)，但它們已接近實(shí)際應(yīng)用極限，并且越來越難以滿足未來的需求。

“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，以至于沒有太多改進(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·默西埃說。

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

基于壓電元件的轉(zhuǎn)換器具有諸多優(yōu)勢，包括尺寸更小、能量密度更高、效率更高以及更易于大規(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產(chǎn)品都更優(yōu)異的性能，”梅西耶說道。

不過，早期版本的這些轉(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。

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一種混合設(shè)計(jì)，將壓電諧振器與以特定方式排列的小型商用電容器相結(jié)合。這種方法使轉(zhuǎn)換器能夠更有效地應(yīng)對(duì)更大的電壓降。

該設(shè)計(jì)被集成到原型芯片中，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測試。它成功地將48伏電壓轉(zhuǎn)換為4.8伏——這是數(shù)據(jù)中心常用的電壓水平——峰值效率達(dá)到96.2%。與早期基于壓電效應(yīng)的設(shè)計(jì)相比，該芯片的輸出電流也提高了約四倍。

這種混合式設(shè)計(jì)具有多項(xiàng)優(yōu)勢。它為電流在電路中的流動(dòng)創(chuàng)建了多條路徑，減少了能量損耗，并降低了諧振器的負(fù)載。這些改進(jìn)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(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段。研究人員認(rèn)為，它是解決現(xiàn)有功率轉(zhuǎn)換器局限性的重要一步。未來的工作將集中在材料改進(jìn)、電路性能提升和封裝方法優(yōu)化等方面。

一個(gè)實(shí)際挑戰(zhàn)是，壓電諧振器在工作過程中會(huì)振動(dòng)，這意味著它們無法使用標(biāo)準(zhǔn)焊接技術(shù)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(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?！?/p>

（來源：編譯自scitechdaily）

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