Các nhà nghiên cứu phát triển chip hybrid áp điện, đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng 96,2% cho GPU

Một nhóm kỹ sư tại University of California San Diego đã phát triển một loại chip mới nhằm cải thiện hiệu quả cấp nguồn cho GPU trong các trung tâm dữ liệu. Trong bối cảnh mức tiêu thụ điện năng tại Data Center tiếp tục tăng mạnh, nhóm nghiên cứu cho biết việc chuyển đổi hiệu quả điện áp cao sang mức điện áp thấp cần thiết cho phần cứng tính toán đã trở thành một thách thức quan trọng. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Con chip mới tập trung vào bộ chuyển đổi DC-DC buck converter, một thành phần phổ biến trong các hệ thống điện tử. Các trung tâm dữ liệu thường phân phối điện ở mức 48V, trong khi GPU thường chỉ hoạt động ở mức từ 1-5V. Việc giảm điện áp lớn như vậy nhưng vẫn duy trì hiệu suất cao từ lâu đã là bài toán khó trong quản lý năng lượng. Các thiết kế truyền thống chủ yếu dựa vào linh kiện từ tính như cuộn cảm (inductor), nhưng nhóm nghiên cứu cho rằng công nghệ này đang dần chạm tới giới hạn hiệu năng.

Để tìm kiếm hướng đi mới, các nhà nghiên cứu đã thay thế linh kiện từ tính truyền thống bằng bộ cộng hưởng áp điện (piezoelectric resonator), vốn lưu trữ và truyền năng lượng thông qua dao động cơ học. Về lý thuyết, bộ chuyển đổi áp điện mang lại nhiều lợi thế như kích thước nhỏ hơn, mật độ năng lượng cao hơn, hiệu suất tốt hơn và dễ mở rộng cho sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, các thế hệ thiết kế áp điện trước đây thường gặp khó khăn trong việc duy trì đồng thời hiệu suất cao và công suất đầu ra đủ lớn khi xử lý tỷ lệ chuyển đổi điện áp lớn.

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết hạn chế này bằng cách phát triển kiến trúc hybrid kết hợp bộ cộng hưởng áp điện với các tụ điện thương mại kích thước nhỏ theo một cấu hình đặc biệt. Thiết kế này cho phép năng lượng điện truyền qua nhiều đường dẫn khác nhau, giúp giảm tổn thất điện năng đồng thời giảm tải cho bộ cộng hưởng.

Trong thử nghiệm trong phòng lab, nguyên mẫu chip đã thành công trong việc hạ điện áp từ 48V xuống 4,8V với hiệu suất cực đại đạt 96,2%. Dòng điện đầu ra cũng cao hơn khoảng 5 lần so với các thiết kế bộ chuyển đổi áp điện trước đây, trong khi kích thước chip chỉ tăng nhẹ.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn đầu và chưa sẵn sàng để thay thế các giải pháp chuyển đổi điện năng hiện tại. Các bước tiếp theo sẽ tập trung vào cải tiến vật liệu, thiết kế mạch và kỹ thuật đóng gói. Do bộ cộng hưởng áp điện tạo ra rung động trong quá trình hoạt động, chúng không thể được gắn lên bo mạch bằng phương pháp hàn truyền thống, khiến việc phát triển các phương pháp tích hợp mới trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai.