Зі зростанням популярності штучного інтелекту та хмарних обчислень центри обробки даних (ЦОД) стають одними з найбільш енергоємних об’єктів на планеті. Значна частина цієї енергії втрачається не в процесі обчислень, а при управлінні живленням — зокрема, на етапі зниження високої напруги до рівнів, безпечних для чутливих чіпів, таких як графічні процесори (GPU).
Інженери з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (UCSD) розробили нову архітектуру чіпа, яка безпосередньо вирішує цю проблему неефективності. Замінюючи традиційні магнітні компоненти на * * п’єзоелектричні резонатори, їх прототип досягає пікової ефективності в 96,2 відсотка * * при значно більшій силі струму. Це відкриття може відкрити шлях до більш компактних, холодних та екологічно чистих обчислювальних систем.
Прихована ціна перетворення енергії
Сучасні центри обробки даних зазвичай розподіляють електроенергію з напругою * * 48 вольт. Однак графічні процесори та інші обчислювальні компоненти всередині серверів вимагають набагато нижчої напруги, як правило, в діапазоні від 1 до 5 вольт. Для подолання цього розриву використовується компонент, відомий як понижуючий DC-DC перетворювач**.
Уявіть ці перетворювачі як диспетчерів електричного руху. Вони беруть потік вхідної енергії під високим тиском і регулюють його, перетворюючи в м’який потік, придатний для крихких схем. Без них Обладнання було б знищено стрибками напруги. Однак їх використання має свою ціну: втрати енергії.
Традиційні перетворювачі покладаються на магнітні компоненти, насамперед на індуктори. Хоча вони ефективні, ці магнітні деталі громіздкі, виділяють тепло і впираються в «стіл» продуктивності. У міру того, як обчислювальні системи стають щільнішими та потужнішими, фізичний розмір цих магнітних компонентів стає вузьким місцем, а їх ефективність ледве встигає за масивними перепадами напруги, які необхідно забезпечити.
“Ми стали настільки хорошими в проектуванні індуктивних перетворювачів, що у нас практично не залишилося місця для їх вдосконалення, щоб задовольнити майбутні потреби», — сказав Патрік Мерсьє, провідний автор дослідження та професор кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії UC San Diego.
Механічна альтернатива магнітним полям
Щоб подолати це обмеження, Мерсьє та його команда, включаючи провідного автора Че Янг Ко, вийшли за межі магнетизму. Вони звернулися до * * п’єзоелектричних резонаторів ** – крихітних пристроїв, які зберігають і передають енергію за допомогою механічних вібрацій, а не магнітних полів.
П’єзоелектричні матеріали давно використовуються в таких додатках, як кварцові годинники та ультразвукові датчики. У контексті перетворення енергії вони пропонують кілька теоретичних переваг:
* * * Більш висока щільність енергії: * * більше потужності в меншому корпусі.
* * * Підвищена ефективність: * * менше енергії втрачається у вигляді тепла.
* * * Масштабованість: * * їх простіше виробляти в малих масштабах з використанням існуючих напівпровідникових процесів.
Однак попередні спроби використовувати п’єзоелектричні перетворювачі для великих перепадів напруги зазнали невдачі. Їм важко було підтримувати ефективність, і вони не могли забезпечити достатній струм для живлення сучасних високопродуктивних чіпів.
Гібридне рішення
Інновація команди UCSD полягає вгібридному дизайні ланцюга. Замість того, щоб покладатися виключно на п’єзоелектричні резонатори, вони поєднували їх з невеликими комерційно доступними конденсаторами, розташованими в певній конфігурації.
Такий гібридний підхід створює кілька шляхів для проходження струму через ланцюг. Результатом стає система, яка:
1. ** Знижує втрати енергії, мінімізуючи опір.
2. ** Зменшує навантаження * * на п’єзоелектричний резонатор, запобігаючи його перевантаження.
3. ** Забезпечує більш високий вихідний струм.
У лабораторних випробуваннях прототип успішно перетворив * * 48 вольт до 4,8 вольт * * – стандартна вимога для обладнання ЦОД. Чіп досяг пікової ефективності в * * 96,2 відсотка і видав приблизно в чотири рази більше вихідного струму**, ніж попередні конструкції на основі п’єзоелектрики.
Чому це важливо для майбутнього обчислень
Значимість цієї технології виходить за рамки просто поліпшення чіпів. У міру зростання глобального попиту на обробку ШІ збільшується і екологічний слід центрів обробки даних. Поліпшення ефективності перетворення енергії безпосередньо призводить до:
* * * Зниження рахунків за електроенергію * * для хмарних провайдерів.
* * * Зменшення вимог до охолодження, оскільки менші втрати енергії означають менше тепла, що виділяється.
* * * Зменшення фізичного розміру обладнання, що дозволяє створювати більш щільні серверні стійки і ефективніше використовувати простір.
Майбутні виклики
Незважаючи на обнадійливі результати, п’єзоелектричні перетворювачі ще не готові замінити традиційні магнітні конструкції в комерційних продуктах. Одна із значних перешкод – інтеграція. Оскільки п’єзоелектричні резонатори вібрують під час роботи, їх не можна кріпити до друкованих плат за допомогою стандартних методів пайки. Вібрація з часом може спричинити механічні поломки або проблеми з контактами.
Майбутні дослідження будуть зосереджені на:
* Розробці нових * * методів упаковки * * для надійного кріплення вібруючих компонентів.
* Удосконалення * * матеріалів * * для підвищення довговічності і продуктивності.
* Оптимізації * * схемних рішень * * для більш широкого діапазону напруг.
“Перетворювачі на основі п’єзоелектрики поки не готові замінити існуючі технології перетворення енергії”, – зазначив Мерсьє. “Але вони пропонують траєкторію для поліпшення. Нам потрібно продовжувати вдосконалювати кілька областей-матеріали, схеми та упаковку — щоб зробити цю технологію готовою до застосування в центрах обробки даних».
Укладення
Гібридний чіп команди Каліфорнійського університету в Сан-Дієго являє собою значний крок вперед в області силової електроніки. Використовуючи механічні вібрації замість магнітних полів, він пропонує шлях до більш ефективних, компактних і стійких обчислювальних систем. Хоча інженерні проблеми залишаються, ця технологія може незабаром допомогти зменшити енергетичне навантаження на зростаючу цифрову інфраструктуру світу.
- Це дослідження було підтримано центром інтеграції управління енергією (PMIC) — науково-дослідним центром співпраці між промисловістю та університетами, що фінансується Національним науковим фондом (номер гранту 2052809). Результати були опубліковані в журналі * * Nature Communications * * під назвою «гібридний DC-DC перетворювач на основі п’єзоелектричного резонатора».*
