Wraz ze wzrostem popularności sztucznej inteligencji i przetwarzania w chmurze centra danych (centrum danych) stają się jednymi z najbardziej energochłonnych obiektów na świecie. Znaczna część tej energii nie jest tracona w procesie obliczeniowym, ale w * * zarządzaniu energią * * – w szczególności w fazie obniżania wysokiego napięcia do poziomów bezpiecznych dla wrażliwych układów, takich jak procesory graficzne (GPU).
Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD) opracowali nową architekturę chipów, która bezpośrednio rozwiązuje ten problem nieefektywności. Zastępując tradycyjne elementy magnetyczne * * rezonatorami piezoelektrycznymi**, ich prototyp osiąga szczytową wydajność * * 96,2 procent * * przy znacznie większym natężeniu prądu. To odkrycie może otworzyć drogę do bardziej kompaktowych, chłodniejszych i bardziej ekologicznych systemów komputerowych.
Ukryta Cena konwersji energii
Nowoczesne centra danych zazwyczaj dystrybuują energię elektryczną o napięciu 48 woltów. Jednak procesory graficzne i inne komponenty komputerowe wewnątrz serwerów wymagają znacznie niższego napięcia, zwykle w zakresie od 1 do 5 woltów. Aby wypełnić tę lukę, stosuje się komponent znany jako * * przetwornica obniżająca napięcie DC-DC**.
Wyobraź sobie te przetworniki jako kontrolerów ruchu elektrycznego. Pobierają strumień przychodzącej energii pod wysokim ciśnieniem i regulują go, przekształcając go w miękki strumień odpowiedni dla delikatnych obwodów. Bez nich sprzęt zostałby zniszczony przez skoki napięcia. Jednak ich użycie ma swoją cenę: straty energii.
Tradycyjne przetworniki polegają na * * elementach magnetycznych**, głównie cewkach indukcyjnych. Chociaż są wydajne, te części magnetyczne są nieporęczne, wytwarzają ciepło i spoczywają na “stole” wydajności. W miarę jak systemy komputerowe stają się gęstsze i mocniejsze, fizyczny rozmiar tych elementów magnetycznych staje się wąskim gardłem, a ich wydajność ma trudności z nadążaniem za ogromnymi spadkami napięcia, które należy zapewnić.
“Staliśmy się tak dobrzy w projektowaniu przetworników indukcyjnych, że praktycznie nie mamy miejsca na ich ulepszenie, aby zaspokoić przyszłe potrzeby” — powiedział Patrick Mercier, główny autor badania i profesor na Wydziale Inżynierii elektrycznej i komputerowej UC San Diego.
Mechaniczna alternatywa dla pól magnetycznych
Aby przezwyciężyć to ograniczenie, Mercier i jego zespół, w tym główny autor Chae young Ko, wykroczyli poza magnetyzm. Zwrócili się do * * rezonatorów piezoelektrycznych * * – maleńkich urządzeń, które przechowują i przekazują energię poprzez wibracje mechaniczne, a nie pola magnetyczne.
Materiały piezoelektryczne są od dawna stosowane w zastosowaniach takich jak Zegary kwarcowe i czujniki ultradźwiękowe. W kontekście konwersji energii oferują kilka teoretycznych korzyści:
* * * Wyższa gęstość energii: * * większa moc w mniejszej obudowie.
* * * Zwiększona wydajność: * * mniej energii jest tracone w postaci ciepła.
* * * Skalowalność: * * są łatwiejsze do wyprodukowania na małą skalę przy użyciu istniejących procesów półprzewodnikowych.
Jednak poprzednie próby wykorzystania przetworników piezoelektrycznych do dużych wahań napięcia nie powiodły się. Mieli trudności z utrzymaniem wydajności i nie byli w stanie zapewnić wystarczającego prądu do zasilania nowoczesnych układów o wysokiej wydajności.
Rozwiązanie hybrydowe
Innowacją zespołu UCSD jest * * hybrydowy projekt łańcucha. Zamiast polegać wyłącznie na rezonatorach piezoelektrycznych, połączyli je z małymi komercyjnie dostępnymi kondensatorami * * umieszczonymi w określonej konfiguracji.
Takie hybrydowe podejście tworzy wiele ścieżek przepływu prądu przez obwód. Rezultatem jest system, który:
1. ** Zmniejsza straty energii, minimalizując opór.
2. ** Zmniejsza obciążenie * * rezonatora piezoelektrycznego, zapobiegając jego przeciążeniu.
3. ** Zapewnia wyższy prąd wyjściowy.
W testach laboratoryjnych prototyp z powodzeniem przekształcił * * 48 woltów do 4,8 woltów * * – standardowe wymaganie dla sprzętu centrum danych. Chip osiągnął szczytową wydajność * * 96,2 procent i wytworzył około czterokrotnie więcej prądu wyjściowego** niż poprzednie projekty oparte na piezoelektryczności.
Dlaczego ma to znaczenie dla przyszłości komputerów
Znaczenie tej technologii wykracza poza zwykłe Ulepszanie układów. Wraz ze wzrostem globalnego zapotrzebowania na przetwarzanie sztucznej inteligencji rośnie również ślad środowiskowy centrów danych. Poprawa efektywności konwersji energii prowadzi bezpośrednio do:
* * * Niższe rachunki za energię * dla dostawców usług w chmurze.
* * * Zmniejszenie wymagań dotyczących chłodzenia , ponieważ mniejsze straty energii oznaczają mniej wytwarzanego ciepła.
* * * Zmniejszenie fizycznego rozmiaru sprzętu *, co pozwala na gęstsze szafy serwerowe i bardziej efektywne wykorzystanie przestrzeni.
Nadchodzące wyzwania
Pomimo zachęcających wyników przetworniki piezoelektryczne nie są jeszcze gotowe do zastąpienia tradycyjnych konstrukcji magnetycznych w produktach komercyjnych. Jedną ze znaczących barier jest * * integracja**. Ponieważ rezonatory piezoelektryczne wibrują podczas pracy, nie można ich przymocować do płytek drukowanych przy użyciu standardowych metod lutowania. Wibracje z czasem mogą powodować awarie mechaniczne lub problemy z kontaktami.
Przyszłe badania będą koncentrować się na:
* Opracowanie nowych * * metod pakowania * * do bezpiecznego mocowania elementów wibracyjnych.
* Ulepszenia * * materiałów * * w celu zwiększenia trwałości i wydajności.
* Optymalizacje * * rozwiązania obwodów * * dla szerszego zakresu napięć.
“Przetworniki oparte na piezoelektryczności nie są jeszcze gotowe do zastąpienia istniejących technologii konwersji energii” – zauważył Mercier. “Ale oferują trajektorię poprawy. Musimy nadal ulepszać kilka obszarów-materiały, obwody i opakowania — aby ta technologia była gotowa do zastosowania w centrach danych”.
Zawarcie
Układ hybrydowy zespołu UC San Diego stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie energoelektroniki. Wykorzystując wibracje mechaniczne zamiast pól magnetycznych, oferuje drogę do bardziej wydajnych, kompaktowych i zrównoważonych systemów komputerowych. Chociaż wyzwania inżynieryjne pozostają, technologia ta może wkrótce pomóc zmniejszyć obciążenie energetyczne rozwijającej się światowej infrastruktury cyfrowej.
- Badanie to było wspierane przez center for nutrition management integration (PMIC) – Centrum Badawcze współpracy między przemysłem a uniwersytetami finansowane przez National Science Foundation (numer grantu 2052809). Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie * * Nature Communications * * zatytułowanym “Hybrydowy przetwornik DC-DC oparty na rezonatorze piezoelektrycznym”.*
