新型压电芯片效率达96.2%，电流输出提升四倍，降低数据中心能耗

研究人员将压电谐振器与电容器相结合，打造出一套既能提升效率又能增大电流输出的系统。

加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发出了一种全新的芯片架构，有望重塑数据中心处理电力的方式。

该设计着力于改善图形处理器将高压电转换为计算所需低压电的过程。

初步测试显示，原型芯片能以极高效率完成这一转换，为打造更小巧、更节能的计算系统提供了一条可行路径。

重新审视功率转换的极限

这项突破的核心是一款经过重新设计的直流-直流降压转换器。

该元件在几乎所有电子系统中都扮演着关键角色，负责将较高的输入电压转换为敏感芯片所能承受的安全可用电压。

在美国大型数据中心中，电力通常以48伏电压分配，而GPU的工作电压一般在1至5伏之间。随着计算需求的攀升，如何高效地弥合这一电压鸿沟变得愈发困难。

传统转换器依赖电感元件。这些磁性元件虽在不断改进，但现已面临物理与性能瓶颈。在应对大压差的同时保持高电流输出方面，它们尤其吃力。

“我们在设计电感式转换器方面已趋于极致，几乎没有太多提升空间来满足未来需求了，”该研究资深作者、加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系教授帕特里克·梅西耶表示。

压电技术路径崭露头角

为突破上述限制，研究团队探索了压电谐振器。这类器件通过机械振动而非磁场来存储和传输能量。

压电系统具备多项优势：体积更小、能量密度更高、在制造环节更易扩展。不过，早期设计也面临挑战——在较大压差下难以维持高效率并输出足够功率。

“它们还有巨大的成长空间，有潜力超越此前所有同类技术的表现，”梅西耶说。

团队通过一种混合设计解决了这些问题。他们将一个压电谐振器与市面上常见的电容器以全新布局方式组合在一起。这种结构为能量传输创造了多重路径，减少了转换过程中的损耗。

研究人员将这一设计实现在一款可工作的原型芯片上。实验室测试中，该芯片将48伏电压降至4.8伏，峰值效率达96.2%。其输出电流也比早期压电系统高出约四倍。

这种混合方案在减轻谐振器压力的同时提升了整体性能，且仅略微增大了尺寸，为未来实际部署提供了可行性。

工程挑战与未来展望

尽管取得进展，该技术仍处于研发阶段。

压电谐振器带来了新的工程难题。由于它们会产生物理振动，工程师无法使用常规焊接方法进行集成，必须开发新的封装与整合策略。

“基于压电的转换器尚未完全准备好取代现有电源转换技术，”梅西耶说，“但它指明了一条改进路线。我们需要在材料、电路和封装等多个领域持续深耕，才能让这项技术真正适用于数据中心。”

随着美国数据中心不断扩张以满足人工智能与云服务的需求，更高效的电力系统将变得至关重要。这款新芯片设计为应对能源挑战提供了充满希望的方向。

该研究发表于《自然·通讯》期刊。

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