À medida que os data centers consomem mais energia para suportar as crescentes demandas digitais, os engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego introduziram um novo design de chip que pode tornar mais eficiente a alimentação de unidades de processamento gráfico (GPUs). A invenção concentra-se em uma função fundamental da eletrônica: converter altas tensões em baixos níveis exigidos pelo hardware de computação. Em testes de laboratório, um protótipo de chip realizou com sucesso essa conversão de tensão com alta eficiência, semelhante às condições encontradas em data centers modernos.
Resultados, publicados Comunicação da naturezaSugere o potencial para sistemas menores e mais eficientes em termos energéticos em ambientes de computação avançados.
Uma revisão dos conversores DC-DC para eletrônica moderna
No centro do novo design está uma versão melhorada de um componente amplamente utilizado conhecido como conversor abaixador DC-DC. Esses conversores são encontrados em quase todos os dispositivos eletrônicos e atuam como um importante elo entre a fonte de energia e o circuito sensível. Seu trabalho é pegar uma alta tensão de entrada e reduzi-la ao nível adequado necessário para uma operação segura.
Nos data centers, a energia geralmente é fornecida a 48 volts, enquanto os processadores GPU normalmente exigem tensões muito mais baixas, normalmente entre 1 e 5 volts. Lidar com eficiência com essa grande queda de tensão tornou-se cada vez mais desafiador à medida que os sistemas de computação se tornam mais poderosos e compactos.
Limitações das tecnologias tradicionais de conversão de energia
Os conversores abaixadores convencionais muitas vezes enfrentam dificuldades ao lidar com grandes diferenças entre as tensões de entrada e de saída. À medida que essa lacuna aumenta, a eficiência diminui e torna-se difícil fornecer corrente suficiente. A maioria dos projetos existentes depende de componentes magnéticos, como indutores. Embora estes materiais tenham sido refinados ao longo dos anos, eles estão se aproximando dos seus limites práticos e melhorias adicionais estão se tornando difíceis.
“Ficamos tão bons em projetar conversores indutivos que realmente não resta muito espaço para melhorá-los para atender às necessidades futuras”, disse o autor sênior do estudo, Patrick Mercier, professor de engenharia elétrica e de computação na Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs.
Explore ressonadores piezoelétricos como alternativa
Para superar essas limitações, Mercier e sua equipe, incluindo o primeiro autor Jae-Young Ko, Ph.D. em engenharia elétrica e de computação. estudante da UC San Diego, investigou uma abordagem diferente usando ressonadores piezoelétricos. Esses pequenos dispositivos armazenam e transferem energia por meio de vibrações mecânicas, em vez de campos magnéticos.
Transdutores baseados em materiais piezoelétricos podem oferecer diversas vantagens. Eles têm potencial para serem menores, mais densos em energia, mais eficientes e mais fáceis de construir em escala. “Eles têm muito espaço para crescer e potencial para superar qualquer coisa que surgir em seu caminho”, disse Mercier.
No entanto, as versões anteriores de conversores piezoelétricos tinham dificuldade em manter a eficiência e fornecer energia suficiente ao lidar com grandes diferenças de tensão.
O design híbrido alcança alta eficiência e potência
Para superar esses problemas, os pesquisadores desenvolveram um conversor híbrido que combina um ressonador piezoelétrico com pequenos capacitores disponíveis comercialmente, dispostos em uma configuração cuidadosamente projetada. Essa configuração permite que o sistema lide com transições de tensão maiores com mais eficiência.
A equipe incorporou esse design em um protótipo de chip e testou seu desempenho. O dispositivo converte com sucesso 48 volts em 4,8 volts – um nível normalmente exigido em data centers – com uma eficiência máxima de 96,2%. Ele fornece quase quatro vezes mais corrente de saída do que os projetos anteriores baseados em piezoelétricos.
Esta abordagem híbrida oferece diversas vantagens. Isso cria vários caminhos para a energia passar pelo sistema, reduzindo o desperdício de energia e reduzindo o estresse no ressonador. Juntas, essas melhorias melhoram a eficiência e o fornecimento de energia, ao mesmo tempo que aumentam ligeiramente o tamanho do chip.
Desafios e próximos passos para uso no mundo real
Embora a tecnologia seja muito promissora, ela ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento. Os pesquisadores veem isso como um passo importante para superar as limitações dos atuais sistemas de conversão de energia. Os esforços futuros se concentrarão no refinamento de materiais, na melhoria do design de circuitos e no desenvolvimento de melhores métodos de embalagem.
Um desafio é que os ressonadores piezoelétricos vibram fisicamente, o que significa que não podem ser conectados a placas de circuito usando técnicas de soldagem padrão. Incorporá-los em sistemas eletrônicos exigirá novas técnicas de integração, explicou Mercier.
“Os conversores piezoelétricos ainda não estão prontos para substituir as tecnologias existentes de conversão de energia”, acrescentou Mercier. “Mas eles oferecem uma trajetória de melhoria. Para tornar esta tecnologia pronta para aplicações em data centers, precisamos continuar a melhorar em diversas áreas – materiais, circuitos e embalagens”.
Este projeto foi financiado em parte pelo Power Management Integration Center (PMIC), um Centro de Pesquisa Cooperativa Indústria-Universidade (IUCRC) da National Science Foundation (prêmio número 2052809).
