زيادة كفاءة مراكز البيانات من خلال شرائح تحويل الطاقة الأفضل

مع الازدهار في الحوسبة الصاخبة ومراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، يزداد استهلاك الطاقة للمهام الحاسوبية إلى مستويات مرتفعة، وينمو أسرع بكثير من نمو إمدادات الطاقة أو قدرة النقل. قد يفرض ذلك حدًا أعلى صعبًا على مقدار القدرة الحوسبية التي يمكن تركيبها، حيث أن بناء مصادر طاقة جديدة أبطأ كثيرًا وأكثر صعوبة في الحل بسرعة مقارنةً بنقاط الاختناق السابقة في إمداد شرائح الذكاء الاصطناعي ومعالجات الرسوميات.

لهذا السبب أي تحسين في كفاءة مراكز البيانات مهم. جزء أساسي سيكون الانتقال إلى أجهزة حوسبة متخصصة وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، مثل وحدات معالجة التنسور (TPUs)، والدوائر المتكاملة الخاصة (ASICs)، وغيرها.

(يمكنك قراءة المزيد عن هذا الموضوع في “الاستثمار في أجهزة الذكاء الاصطناعي: من وحدات المعالجة المركزية إلى وحدات المعالجة المتخصصة”).

إحدى الاحتمالات الأخرى هي تحسين كفاءة إمداد الطاقة نفسه. معظم مراكز البيانات تعمل بإمداد طاقة عالي الجهد، مما يقلل من خسائر النقل ويساعد على التعامل مع الكمية الهائلة من الطاقة التي يحتاجها المركز بأكمله.

لكن شرائح الحواسيب نفسها أصغر بكثير وهشة، وتعمل بجهود منخفضة. لذا يجب تحويل إمداد الطاقة إلى جهد أقل، وهو عملية غير فعّالة للغاية.

على الأقل حتى الآن، قد يكون ثلاثة باحثين من جامعة كاليفورنيا قد اكتشفوا طريقة جديدة لتقليل الجهد تكون مثالية للانخفاض الحاد بين إمداد طاقة مركز البيانات ومعالجات الرسوميات/شرائح الذكاء الاصطناعي. نشروا نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة Nature Communications¹، تحت عنوان “محول DC-DC يعتمد على رنان بيزوكهربائي هجين”.

إعادة اختراع تحويل طاقة مراكز البيانات

كيف يتم تزويد الطاقة لمعالجات الرسوميات

معظم مراكز البيانات الحديثة تعمل بإمداد طاقة موزع عبر الرفوف بجهد 48 فولت. وهو أعلى بكثير من المعيار السابق المستخدم وهو 12 فولت. تم دفع هذا التغيير بسبب الطلب المتزايد على الطاقة من الشرائح الحديثة ونقص المساحة في الرفوف التي تحتضنها.

جهد 48 فولت هو ببساطة أكثر كفاءة ويتطلب عددًا أقل من مكونات تحويل الطاقة لتحويل إمداد الشبكة AC بجهد 120 فولت إلى كهرباء DC قابلة للاستخدام من قبل شرائح السيليكون.

المصدر: AndCables

ومع ذلك، يخلق هذا تحديًا جديدًا. غالبًا ما تواجه محولات خفض الجهد التقليدية صعوبة عند التعامل مع فروق كبيرة بين جهد الإدخال والإخراج.

“مع زيادة تلك الفجوة، تنخفض الكفاءة ويصبح من الصعب توفير التيار الكافي.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

والشرائح نفسها، الجزء الذي يقوم فعليًا بالحوسبة، تعمل بجهود منخفضة، من 1 إلى 5 فولت. لذا، التحول إلى إمداد 48 فولت للرفوف في مركز البيانات يتسبب في انخفاض كفاءة التحويل.

من المغناطيس إلى المحولات البيزوكهربائية

عقبة في حل هذه المشكلة هي أن الطريقة الحالية المستخدمة لتقليل الجهد، التحريض المغناطيسي، هي تقنية ناضجة ومفهومة جيدًا. ومع مرور السنوات، تم تصميم هذه المكونات وتحسينها، وأصبح من الصعب تحسينها أكثر.

“لقد أصبحنا بارعين جدًا في تصميم المحولات الحثية لدرجة أنه لا يوجد مجال كبير لتحسينها لتلبية الاحتياجات المستقبلية.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

لهذا السبب اتخذ الباحثون نهجًا مختلفًا، باستخدام رنانات بيزوكهربائية. هذه الأجهزة الصغيرة تخزن وتنقل الطاقة عبر الاهتزازات الميكانيكية بدلاً من الحقول المغناطيسية.

بشكل عام، من المرجح أن تكون المكونات البيزوكهربائية أصغر، وأكثر كثافة طاقة، وأكثر كفاءة، وأسهل في التصنيع على نطاق واسع مقارنةً بالملفات المغناطيسية.

ومع ذلك، حتى الآن، واجهت المحولات البيزوكهربائية صعوبة في التعامل مع فروق جهد كبيرة والحفاظ على الكفاءة.

تحسين المحولات البيزوكهربائية

لحل مشكلة المحولات البيزوكهربائية التقليدية، أنشأ الباحثون تصميمًا هجينًا، يجمع بين رنان بيزوكهربائي وعدة مكثفات صغيرة متاحة تجاريًا.

تم ترتيب المكثفات في تكوين مصمم بعناية يتيح للنظام التعامل مع تحويلات جهد أكبر بشكل أكثر فعالية. هذا يخلق مسارات متعددة لتدفق الطاقة عبر النظام، يقلل من الطاقة المهدرة، ويخفف العبء عن الرنان.

نجح هذا النموذج الأولي في تحويل 48 فولت إلى 4.8 فولت بكفاءة قصوى بلغت 96.2٪. وهذا يمثل أربعة أضعاف التيار الناتج مقارنةً بالتصاميم السابقة القائمة على البيزوكهرباء.

المصدر: ScienceDaily

هذا، بالطبع، مجرد نموذج أولي، ولا يزال التصميم التجاري النهائي بحاجة إلى بعض التحسينات. على وجه الخصوص، سيتطلب تحسين المواد، تحسين تصاميم الدوائر، وتطوير طرق تغليف أفضل.

مسألة أخرى تحتاج إلى حل هي أن نظام البيزوكهرباء يهتز، لذا لا يمكن لحامها مباشرة على لوحة الدائرة، خوفًا من أن تهز الشريحة الإلكترونية بأكملها.

“المحولات القائمة على البيزوكهرباء ليست جاهزة بعد لاستبدال تقنيات محولات الطاقة الحالية. لكنها توفر مسارًا للتحسين. نحتاج إلى الاستمرار في تحسين عدة مجالات — المواد، والدوائر، والتغليف — لجعل هذه التقنية جاهزة لتطبيقات مراكز البيانات.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

سيكون هذا مجرد أحد التطبيقات الجديدة العديدة الناشئة لتقنية البيزوكهرباء، والتي تشمل، على سبيل المثال،:

• رنانات نانوية ميكانيكية لقياس دوران الذرات.
• بوليمرات بيزوكهربائية لجمع الطاقة المجانية, طريقة يمكن أن المركبات البيزوكهربائية تستخدمها أيضًا.
• تقليص لوحة الدوائر المطبوعة باستخدام تصاميم أخرى لمحوّلات الطاقة البيزوكهربائية

الاستثمار في تقنية البيزوكهرباء

شركة CTS

سوق أجهزة البيزوكهرباء هو بالفعل سوق كبير، بإيرادات تبلغ 35.59 مليار دولار في 2024، ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب 7٪ إلى 55.49 مليار دولار بحلول 2030. أحد الرواد في هذا القطاع هي شركة CTS Corporation، وهي شركة تصنع حلولًا مخصصة للعديد من الصناعات، بما في ذلك الصناعية (مضخة حرارية، تموضع روبوتي، قياس)، النقل، الطبية، والفضاء والدفاع.

وبالدرجة الأولى، يعتبر قطاع السيارات هو أكبر قسم في الشركة، حيث يحقق ما يقرب من نصف إيراداتها. ومع ذلك، هذا الاعتماد يتناقص، حيث نما قطاع الطب والفضاء بسرعة في السنوات الأخيرة ومن المتوقع أن يستمر في النمو. 60٪ من المبيعات تتم في أمريكا الشمالية، 22٪ في آسيا، و18٪ في أوروبا.

المصدر: CTS

تأسست الشركة في 1896، في البداية باسم شركة شيكاغو لتوريد الهاتف، ثم اختصرت إلى CTS.

تنتج شركة CTS حساسات وإلكترونيات لتطبيقات متخصصة، باستخدام الفيزياء المغناطيسية والبيزوكهربائية، وتطبقها في الحساسات، الشرائح، التصوير، الرادارات، المشغلات، التحكمات، وغيرها.

المصدر: CTS

مجموعة منتجات الشركة موضوعة جيدًا للاستفادة من الأتمتة والكهربائية، وكذلك الابتكار في مجال الرعاية الصحية للحساسات والإجراءات الطبية الأقل توغلاً والتشخيصات.

إعادة التصنيع ستفيد الشركة أيضًا، حيث ستوجد مكوناتها في الروبوتات الصناعية، الطابعات، وأنظمة القياس من خلال مصانع جديدة أو محدثة.

أخيرًا، قد تستفيد شركة CTS من زيادة ميزانيات الدفاع، حيث تُستخدم مكوناتها في السونارات تحت الماء، المركبات تحت الماء غير المأهولة، الذخائر، والأقمار الصناعية.

هذا يجعل شركة CTS ليست مجرد شركة من المرجح أن تستفيد من توسع استخدام تقنية البيزوكهرباء، بل أيضًا من تقنيات رئيسية أخرى في الحساسات والمكونات الإلكترونية الضرورية لجميع الاتجاهات الاقتصادية الكبرى مثل إعادة التصنيع، الكهرباء، وزيادة الإنفاق الدفاعي.

آخر أخبار وتطورات أسهم شركة CTS (CTS)

الدراسة المشار إليها

^{1. Ko, JY., Liu, WC.B., & Mercier, P.P. A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0}