为了应对数据中心不断攀升的能源需求，加州大学圣地亚哥分校的工程师提出了一种新型芯片设计，有望显著提升图形处理单元（GPU）在电压转换和电源管理方面的效率。在实验室测试中，这款原型芯片以高效率完成了现代数据中心常见的电压转换任务，展示出更高效地将高电压转换为计算硬件所需低电压的能力。

这一研究成果发表在《自然通讯》上，被认为有望推动更小型、更节能的先进计算系统发展。

重新审视电源转换方式

这项芯片设计为提升几乎所有电子设备中常见的直流降压转换器性能提供了新思路。降压转换器是电源与敏感电路之间的重要“缓冲”，负责将较高的输入电压降为电路中各组件安全运行所需的较低电压。

以数据中心为例，电力通常以48伏的形式进行分配，而GPU内部的处理器则只需要约1至5伏的工作电压。随着计算规模和功耗持续增长，要在有限空间内高效完成这种大幅度电压转换变得愈发困难。

传统降压转换器在输入与输出电压差较大时，效率往往会下降，同时也难以提供足够的电流输出。多数此类转换器依赖电感器等磁性元件，这类元件虽然成熟可靠，但在性能和尺寸缩小方面已接近物理极限，进一步提升空间有限。

“我们在基于电感的转换器设计上已经非常成熟，要满足未来需求已很难再有大幅改进，”该研究的资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气与计算机工程系教授 Patrick Mercier 表示。

转向压电谐振器

为突破这一瓶颈，Mercier 与团队成员（包括论文第一作者、该校电气与计算机工程博士生 Jae-Young Ko）转而探索压电谐振器这一替代方案。这类微小器件通过机械振动来储存和传递能量。

基于压电谐振器的电源转换器有望在体积、能量密度、效率以及制造可扩展性方面优于传统方案。“它们还有很大的发展空间，潜力超过以往任何技术，”Mercier 指出。

不过，早期的压电转换器在应对大电压差时，往往难以同时保持高效率和足够的功率输出，这也限制了其在高功率应用中的推广。

混合设计带来性能提升

在本次研究中，团队提出了一种改进型降压转换器架构，将压电谐振器与小型商用电容器以特定方式组合，形成混合电路设计。通过这种结构，转换器在处理较大电压差时的效率和输出能力得到明显改善。

研究人员将该设计实现为一款原型芯片，并在实验中验证其性能。测试结果显示，该芯片能够将48伏电压转换为4.8伏——这一电压组合在数据中心应用中十分常见——并实现了最高96.2%的转换效率。同时，芯片的输出电流约为此前压电转换器设计的四倍。

这种混合电路结构带来了多重优势：

• 为电流提供多条流动路径；
• 降低能量损耗；
• 减轻压电谐振器本身的负载。

在芯片面积仅略有增加的前提下，整体效率和功率输出却得到显著提升。

向实际部署迈进

尽管这项技术仍处于早期研究阶段，团队认为它为突破现有电源转换器的性能限制提供了重要方向。接下来的工作将集中在材料选择、线路设计以及封装工艺等方面的进一步优化。

由于压电谐振器依赖机械振动工作，无法像传统电子元件那样直接焊接到电路板上，因此需要开发不同的集成策略，将其可靠地嵌入电子系统中。Mercier 解释称，这也是未来工程化落地的关键环节之一。

“基于压电的转换器目前还不足以直接取代现有电源转换技术，”Mercier 补充道，“但它们已经展现出明显的改进潜力。我们需要在材料、线路和封装等多个层面持续优化，才能让这项技术真正适用于数据中心等实际应用场景。”