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 melhorar a eficiência energética das unidades de processamento gráfico (GPUs). Esta inovação concentra-se em uma função fundamental da eletrônica: converter altas tensões em tensões mais baixas exigidas pelo hardware de computação. Em testes de laboratório, o chip protótipo executou com sucesso e eficiência esse tipo de conversão de tensão em condições semelhantes às encontradas em data centers modernos.
Os resultados da pesquisa foram publicados em comunicações da naturezamostrando o potencial para sistemas menores e mais eficientes em termos energéticos em ambientes de computação avançados.
Repensando os conversores DC-DC para a eletrônica moderna
No centro do novo design está uma versão melhorada do componente conversor Buck DC-DC amplamente utilizado. Esses conversores são encontrados em quase todos os equipamentos eletrônicos e servem como um elo crítico entre a fonte de energia e os circuitos sensíveis. Seu trabalho é pegar a alta tensão de entrada e reduzi-la ao nível preciso necessário para uma operação segura.
Em data centers, a tensão de alimentação é normalmente de 48 volts, enquanto os processadores GPU normalmente exigem tensões muito mais baixas, normalmente entre 1 e 5 volts. À medida que os sistemas de computação se tornam mais poderosos e compactos, o gerenciamento eficaz dessas grandes quedas de tensão torna-se cada vez mais desafiador.
Limitações da tecnologia tradicional de conversão de energia
Os conversores Buck tradicionais geralmente têm dificuldade em lidar com a grande diferença entre as tensões de entrada e saída. À medida que a lacuna aumenta, a eficiência diminui e torna-se mais difícil fornecer corrente suficiente. A maioria dos projetos existentes depende de componentes magnéticos, como indutores. Embora estes componentes tenham sido melhorados ao longo dos anos, estão a aproximar-se dos seus limites práticos e estão a tornar-se cada vez mais difíceis de melhorar.
“Ficamos tão bons no projeto de conversores indutivos que não há muito espaço para melhorias para atender às necessidades futuras”, disse o autor sênior do estudo, Patrick Mercier, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs.
Explore ressonadores piezoelétricos como alternativa
Para ir além dessas limitações, Mercier e sua equipe, incluindo o primeiro autor Jae-Young Ko, Ph.D. em engenharia elétrica e de computadores. Alunos da UC San Diego investigaram uma abordagem diferente usando ressonadores piezoelétricos. Esses pequenos dispositivos armazenam e transmitem energia por meio de vibrações mecânicas, em vez de campos magnéticos.
Transdutores baseados em elementos piezoelétricos podem oferecer diversas vantagens. Eles têm potencial para se tornarem menores, mais densos em energia, mais eficientes e mais fáceis de fabricar em escala. “Eles têm muito espaço para crescer e potencial para oferecer um desempenho melhor do que qualquer coisa que tiveram antes”, disse Messier.
No entanto, as primeiras versões dos conversores piezoelétricos lutaram para manter a eficiência e fornecer energia suficiente ao lidar com grandes diferenças de tensão.
O design híbrido alcança alta eficiência e alta potência
Para superar esses problemas, os pesquisadores criaram um conversor híbrido que combina ressonadores piezoelétricos com pequenos capacitores comerciais dispostos em uma configuração cuidadosamente projetada. Essa configuração permite que o sistema lide com transições de tensão maiores com mais eficiência.
A equipe incorporou o design em um protótipo de wafer e testou seu desempenho. O dispositivo converte com sucesso 48 volts em 4,8 volts (um nível de tensão normalmente exigido em data centers) com uma eficiência máxima de 96,2%. Ele também fornece aproximadamente quatro vezes mais corrente de saída do que os projetos anteriores baseados em piezoelétricos.
Esta abordagem híbrida oferece diversas vantagens. Ele cria vários caminhos para a energia circular pelo sistema, reduzindo o desperdício de energia e aliviando o estresse nos ressonadores. Juntas, essas melhorias melhoram a eficiência e a transferência de energia, ao mesmo tempo que aumentam apenas ligeiramente o tamanho do wafer.
Desafios práticos e próximos passos
Embora a tecnologia seja muito promissora, ela ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento. Os pesquisadores acreditam que este é 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 uma placa de circuito usando técnicas de soldagem padrão. São necessárias novas estratégias de integração para integrá-los aos sistemas eletrônicos, explicou Mercier.
“Os conversores piezoelétricos ainda não estão totalmente prontos para substituir a tecnologia existente de conversores de energia”, acrescentou Mercier. “Mas eles fornecem uma trajetória para melhorias. Precisamos continuar melhorando em diversas áreas — materiais, circuitos e embalagens — para tornar esta tecnologia pronta para aplicações em data centers.”
Este projeto foi apoiado em parte pelo Power Management Integration Center (PMIC), um Centro de Pesquisa Colaborativa Acadêmica-Indústria (IUCRC) financiado pela National Science Foundation (Prêmio nº 2052809).
