Poseben čip, ki bi lahko močno povečal učinkovitost grafičnih procesorjev

Podatkovni centri po vsem svetu se soočajo z vse večjimi potrebami po električni energiji. Zato so raziskovalci na Jacobs School of Engineering (UC San Diego) pozornost usmerili v enega temeljnih izzivov elektronike, in sicer učinkovito zniževanje napetosti. V študiji, objavljeni v reviji Nature Communications, so predstavili nov tip pretvornika napetosti DC-DC (enosmerna napetost v enosmerno napetost), ki bi lahko nadomestil tradicionalne in okorne rešitve.

V večini elektronskih naprav pretvorniki DC-DC delujejo kot varovalo, ki vhodno napetost zniža na varno raven za občutljiva vezja. V velikih računalniških sistemih se elektrika običajno distribuira pri 48 voltih, medtem ko grafični procesorji za svoje delovanje potrebujejo le od enega do pet voltov. Klasični pretvorniki, ki temeljijo na induktorjih (magnetnih komponentah), pri tako velikih razlikah izgubljajo učinkovitost in so dosegli svoje praktične omejitve glede velikosti.

Ekipa pod vodstvom profesorja Patricka Mercierja in doktoranda Jae-Young Koja je zato ubrala drugo pot. Namesto magnetnih polj so uporabili piezoelektrične resonatorje. To so majhne naprave, ki energijo shranjujejo in prenašajo s pomočjo mehanskih vibracij. Prednost takšnega pristopa je v manjši velikosti, višji energijski gostoti in lažji serijski proizvodnji.

Da bi odpravili težave s preteklimi piezoelektričnimi modeli, so raziskovalci razvili hibridno zasnovo. To združuje resonator s specifično razporejenimi majhnimi kondenzatorji, ki so na voljo v prosti prodaji. Prototip, ki je na fotografijah viden ob ameriškem kovancu za en cent, je v laboratorijskih testih uspešno pretvoril 48 voltov v 4,8 volta oziroma raven, ki je standardna za podatkovne centre. Pri tem je čip dosegel vrhunsko, 96,2-odstotno učinkovitost, hkrati pa zagotovil približno štirikrat večji izhodni tok kot prejšnji sorodni dizajni.

Hibridna postavitev ustvarja več poti za pretok moči, kar zmanjšuje izgube energije in razbremeni sam resonator. Kljub temu tehnologija še ni povsem pripravljena na takojšnjo uporabo. Eden od praktičnih izzivov je dejstvo, da piezoelektrični resonatorji med delovanjem vibrirajo, kar pomeni, da jih na vezja ni mogoče pritrditi s standardnim spajkanjem.

Profesor Mercier poudarja, da piezoelektrični pretvorniki trenutno še ne morejo popolnoma zamenjati obstoječih tehnologij, vendar nakazujejo smer za prihodnji razvoj. Nadaljnje delo bo osredotočeno na izboljšanje materialov, zmogljivosti vezij in metod pakiranja, da bi ta tehnologija čim prej postala primerna za zahtevno okolje podatkovnih centrov.