A medida que los centros de datos consumen más energía para soportar las crecientes demandas digitales, los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han introducido un nuevo diseño de chip que podría hacer que la alimentación de las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) sea más eficiente. La invención se centra en una función clave de la electrónica: convertir altos voltajes en niveles bajos requeridos por el hardware informático. En pruebas de laboratorio, un chip prototipo realizó con éxito dicha conversión de voltaje con una alta eficiencia similar a las condiciones que se encuentran en los centros de datos modernos.
Resultados, publicados comunicación de la naturalezaSugiere el potencial de sistemas más pequeños y más eficientes energéticamente en entornos informáticos avanzados.
Una revisión de los convertidores DC-DC para la electrónica moderna
En el corazón del nuevo diseño se encuentra una versión mejorada de un componente ampliamente utilizado conocido como convertidor reductor CC-CC. Estos convertidores se encuentran en casi todos los dispositivos electrónicos y actúan como un vínculo importante entre la fuente de energía y el circuito sensible. Su trabajo es tomar un alto voltaje entrante y reducirlo al nivel adecuado requerido para una operación segura.
En los centros de datos, la energía suele entregarse a 48 voltios, mientras que los procesadores GPU suelen requerir voltajes mucho más bajos, normalmente entre 1 y 5 voltios. Manejar eficientemente esta gran caída de voltaje se ha vuelto cada vez más desafiante a medida que los sistemas informáticos se vuelven más potentes y compactos.
Limitaciones de las tecnologías tradicionales de conversión de energía.
Los convertidores reductores convencionales a menudo tienen dificultades cuando se enfrentan a grandes diferencias entre los voltajes de entrada y salida. A medida que esa brecha aumenta, la eficiencia disminuye y resulta difícil suministrar suficiente corriente. La mayoría de los diseños existentes se basan en componentes magnéticos como inductores. Aunque estos materiales se han ido perfeccionando a lo largo de los años, se están acercando a sus límites prácticos y resulta difícil seguir mejorando.
“Hemos llegado a ser tan buenos en el diseño de convertidores inductivos que realmente no queda mucho espacio para mejorarlos para satisfacer las necesidades futuras”, dijo el autor principal del estudio, Patrick Mercier, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.
Explore los resonadores piezoeléctricos como alternativa
Para superar estas limitaciones, Mercier y su equipo, incluido el primer autor Jae-Young Ko, doctor en ingeniería eléctrica e informática. Estudiante de UC San Diego, investigó un enfoque diferente utilizando resonadores piezoeléctricos. Estos pequeños dispositivos almacenan y transfieren energía mediante vibraciones mecánicas en lugar de campos magnéticos.
Los transductores basados en materiales piezoeléctricos pueden ofrecer varias ventajas. Tienen el potencial de ser más pequeños, más densos en energía, más eficientes y más fáciles de construir a escala. “Tienen mucho espacio para crecer y tienen el potencial de superar cualquier cosa que se les presente”, dijo Mercier.
Sin embargo, las versiones anteriores de convertidores piezoeléctricos tenían dificultades para mantener la eficiencia y entregar suficiente energía al manejar grandes diferencias de voltaje.
El diseño híbrido logra una alta eficiencia y potencia de salida
Para superar estos problemas, los investigadores desarrollaron un convertidor híbrido que combina un resonador piezoeléctrico con pequeños condensadores disponibles comercialmente dispuestos en una configuración cuidadosamente diseñada. Esta configuración permite que el sistema maneje transiciones de voltaje más grandes de manera más eficiente.
El equipo incorporó este diseño en un prototipo de chip y probó su rendimiento. El dispositivo convierte con éxito 48 voltios en 4,8 voltios (un nivel que normalmente se requiere en los centros de datos) con una eficiencia máxima del 96,2 por ciento. Proporciona casi cuatro veces más corriente de salida que los diseños anteriores basados en piezoeléctricos.
Este enfoque híbrido ofrece varias ventajas. Esto crea múltiples caminos para que la energía pase a través del sistema, lo que reduce el desperdicio de energía y reduce la tensión en el resonador. En conjunto, estas mejoras mejoran tanto la eficiencia como la entrega de energía al tiempo que aumentan ligeramente el tamaño del chip.
Desafíos y próximos pasos para el uso en el mundo real
Aunque la tecnología parece muy prometedora, todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. Los investigadores ven esto como un paso importante para superar las limitaciones de los sistemas de conversión de energía actuales. Los esfuerzos futuros se centrarán en refinar materiales, mejorar el diseño de circuitos y desarrollar mejores métodos de empaquetado.
Un desafío es que los resonadores piezoeléctricos vibran físicamente, lo que significa que no se pueden conectar a placas de circuito mediante técnicas de soldadura estándar. Incorporarlos a los sistemas electrónicos requerirá nuevas técnicas de integración, explicó Mercier.
“Los convertidores piezoeléctricos aún no están preparados para sustituir las tecnologías de convertidores de potencia existentes”, añadió Mercier. “Pero ofrecen una trayectoria de mejora. Para que esta tecnología esté lista para aplicaciones de centros de datos, debemos seguir mejorando en múltiples áreas: materiales, circuitos y embalaje”.
Este proyecto fue financiado en parte por el Centro de Integración de Gestión de Energía (PMIC), un Centro de Investigación Cooperativa Industria-Universidad (IUCRC) de la Fundación Nacional de Ciencias (número de premio 2052809).
