GPU芯片，新突破

加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 的工程师们开发了一种新的芯片设计，用压电谐振器代替传统的磁感应器进行 DC-DC 降压功率转换。

该研究发表在《自然通讯》上，展示了一种原型，可以将 48 V 电压转换为 4.8 V 电压，这是数据中心配电中常见的转换比，峰值效率为 96.2%，输出电流是之前压电设计的四倍。

该降压转换器原型巧妙地将压电谐振器与市售电容器组合在一起

这项工作旨在解决 GPU 密集型计算设施中日益严重的电力输送瓶颈问题，其中转换损耗累积在数千个单独的电源模块中，并占总能源浪费的很大一部分。

现代数据中心通常以 48 V 的电压供电，但驱动 AI 训练和高性能计算工作负载的 GPU 处理器需要的电压要低得多，通常在 1 V 到 5 V 之间。

有效弥合这一差距是一项根本性的工程挑战，而现有技术应对这一挑战的收益正在递减。传统的降压转换器依赖于磁感应器，这些元件经过几十年的优化，如今在功率密度和效率方面已接近物理极限。

图中用一枚美国一美分硬币作比例尺，展示了直流-直流降压转换芯片

加州大学圣地亚哥分校的研究团队另辟蹊径，构建了一种混合电路，将压电谐振器与市售的小型电容器相结合。压电器件通过机械振动而非磁场来存储和传输能量，这提供了一种截然不同的电压转换机制。通过将谐振器与精心排列的电容器相结合，研究人员为电流在电路中流动创建了多条路径。这种配置减少了以热能形式损耗的能量，并减轻了谐振器本身的电应力和机械应力。

最终得到的转换器输出电流约为早期压电式设计的四倍，而物理尺寸仅略有增加。在10:1的降压比下，其峰值效率高达96.2%，与目前在类似转换点下运行的基于电感的转换器相比具有竞争力。但研究人员认为，考虑到该技术尚处于早期研发阶段，其仍有很大的改进空间。

磁性电感器在尺寸、效率和散热方面存在固有的权衡取舍，随着功率密度的增加和物理空间的缩小，这些限制会变得更加突出。相比之下，压电谐振器在能量密度、小型化和制造可扩展性方面具有潜在优势。

这项技术在从实验室走向生产之前确实面临着一些实际障碍。压电谐振器在工作过程中会发生物理振动，无法使用传统的回流焊工艺进行焊接，这意味着在商业化部署成为现实之前，需要开发新的集成和封装策略。未来的研究将着重于改进压电材料、优化电路拓扑结构，以及开发能够适应谐振器机械特性并同时保持与标准印刷电路板组装工艺兼容性的封装解决方案。

一块被电容器包围的PCB板用于测试DC-DC降压转换芯片。压电谐振器安装在电路板下方，并与芯片电连接

如果该方法能够像研究人员预期的那样扩展，那么数据中心将从中受益匪浅。即使电压转换效率的提升幅度很小，但当单个数据中心内数千个转换器协同工作时，也能显著降低总能耗和废热，而随着计算基础设施的不断扩展，这两者都是主要的成本驱动因素。

数据中心目前消耗的全球电力份额已相当可观且持续增长，而电力转换损耗是这些设施中最大的能源浪费来源之一。如果能找到一种可行的磁感应器替代方案，既能提高效率又能缩小供电硬件的物理尺寸，就能解决数据中心设计人员目前面临的两大最紧迫的难题。

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