Computing

Øge datacentrenes effektivitet med bedre strømkonverteringschips

mm
Udgivet den
Opdateret den

Med boomet i kraftig beregning og AI-datacentre stiger energiforbruget til beregningsopgaver gennem himlen og vokser meget hurtigere end væksten i energiforsyning eller transmissionskapacitet. Dette kan sætte en hård øvre grænse for, hvor meget mere beregningskapacitet der kan installeres, da opbygningen af nye energikilder er meget langsommere og sværere at løse hurtigt end tidligere flaskehalse i forsyningen af AI-chips og GPU’er.

Derfor er enhver forbedring af effektiviteten i datacentre vigtig. En central del vil være at skifte til specialiseret, mere energieffektiv beregningshardware, såsom TPU’er, ASIC’er osv.

(Du kan læse mere om dette emne i “Investering i AI-hardware: Fra CPU’er til XPU’er”).

En anden mulighed er at forbedre effektiviteten af energiforsyningen selv. De fleste datacentre opererer med en højspændingsstrømforsyning, som minimerer transmissions tab og hjælper med at håndtere den enorme mængde energi, som hele datacentret har brug for.

Men computerchipsene selv er meget mindre og skrøbelige og opererer ved lavere spændinger. Så strømforsyningen skal konverteres til en lavere spænding, hvilket ikke er en særlig effektiv operation.

Indtil nu har tre forskere ved University of California muligvis opdaget en ny måde at reducere spænding på, som ville være perfekt til det stejle spændingsfald mellem datacentrets strømforsyning og GPU’er/AI-chips. De offentliggjorde deres resultater i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature Communications1 under titlen “A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter”.

Genopfindelse af datacentrenes strømkonvertering

Hvordan strøm leveres til GPU’er

De fleste moderne datacentre opererer med en strømforsyning distribueret gennem rackene ved 48V. Det er meget højere end den tidligere anvendte standard på 12V. Denne ændring blev drevet af den stigende efterspørgsel efter strøm fra moderne chips og manglen på plads i rackene, der huser dem.

48V er simpelthen mere effektivt og kræver færre strømkonverteringskomponenter til at omdanne 120V AC-netforsyningen til DC-elektricitet, som kan bruges af siliciumchipsene.

Kilde: AndCables

Dette skaber dog en ny udfordring. Konventionelle step-down konvertere har ofte svært ved at håndtere store forskelle mellem indgangs- og udgangsspænding.

“Efterhånden som dette hul vokser, falder effektiviteten, og det bliver sværere at levere tilstrækkelig strøm.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Og selve chipsene, den del der faktisk udfører beregningen, opererer ved lave spændinger, fra 1 til 5 volt. Så overgangen til en 48V-forsyning til datacenterrackene får konverteringens effektivitet til at falde.

Fra magneter til piezoelektriske konvertere

En hindring i løsningen af dette problem er, at den nuværende metode til at reducere spænding, magnetisk induktion, er en ret moden og velforstået teknologi. Efterhånden som disse komponenter er blevet designet og forfinet gennem årene, bliver de sværere at forbedre yderligere.

“Vi er blevet så dygtige til at designe induktive konvertere, at der egentlig ikke er meget plads tilbage til at forbedre dem for at imødekomme fremtidige behov.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Derfor valgte forskerne en anden tilgang ved at bruge piezoelektriske resonatorer. Disse små enheder lagrer og overfører energi gennem mekaniske vibrationer i stedet for magnetiske felter.

Generelt vil piezoelektriske komponenter sandsynligvis være mindre, mere energitætte, mere effektive og lettere at producere i stor skala end magnetiske induktorer.

Indtil nu har piezoelektriske konvertere haft svært ved at håndtere store spændingsforskelle og opretholde effektiviteten.

Forbedring af piezoelektriske konvertere

For at løse problemet med klassiske piezoelektriske konvertere skabte forskerne et hybriddesign, der kombinerer en piezoelektrisk resonator med flere små, kommercielt tilgængelige kondensatorer.

Kondensatorerne er arrangeret i en omhyggeligt designet konfiguration, der gør det muligt for systemet at håndtere større spændingskonverteringer mere effektivt. Dette skaber flere veje for energi til at bevæge sig gennem systemet, reducerer spildt strøm og mindsker belastningen på resonatoren.

Denne prototype konverterede med succes 48 volt ned til 4,8 volt med en maksimal effektivitet på 96,2 %. Dette svarer til 4 gange mere udgangsstrøm end tidligere piezoelektriske baserede designs.

Dette er naturligvis kun en prototype, og et endeligt kommercielt design vil stadig have brug for nogle forbedringer. Især vil det kræve forfining af materialer, forbedring af kredsløbsdesigns og udvikling af bedre indpakningsmetoder.

Et andet problem, der skal løses, er, at det piezoelektriske system vibrerer, så de ikke kan loddes direkte på kredsløbskortet, for ellers ville de ryste hele den elektroniske chip.

“Piezoelektriske baserede konvertere er endnu ikke helt klar til at erstatte eksisterende strømkonverteringsteknologier. Men de tilbyder en udviklingsbane. Vi skal fortsætte med at forbedre flere områder – materialer, kredsløb og indpakning – for at gøre denne teknologi klar til datacenterapplikationer.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Dette vil blot være én blandt mange nye anvendelser, der dukker op for piezoelektrisk teknologi, som for eksempel også omfatter:

Investering i piezoelektrisk teknologi

CTS Corporation

(CTS )

Markedet for piezoelektriske enheder er allerede stort, med $35,59 mia. i omsætning i 2024, forventet at vokse 7 % CAGR til $55,49 mia. i 2030. En af lederne i denne sektor er CTS Corporation, en producent af skræddersyede løsninger til mange industrier, herunder industriel (varmepumpe, robotpositionering, måling), transport, medicinsk samt luft- og rumfart & forsvar.

Den bilindustri er langt den største segment for virksomheden og udgør næsten halvdelen af dens omsætning. Dette er dog en faldende afhængighed, da de medicinske og luftfartssegmenter har vokset hurtigt i de senere år og forventes at fortsætte denne vækst. 60 % af salget foregår i Nordamerika, 22 % i Asien og 18 % i Europa.

Kilde: CTS

Virksomheden blev grundlagt i 1896, oprindeligt som Chicago Telephone Supply Company, senere forkortet til CTS.

CTS producerer sensorer og elektronik til nicheapplikationer, ved brug af magnetisk og piezoelektrisk fysik, og anvender dem i sensorer, chips, billeddannelse, radarer, aktuatorer, kontrolsystemer osv.

Kilde: CTS

Virksomhedens produktportefølje er godt positioneret til at drage fordel af automatisering og elektrificering samt sundhedsinnovation for sensorer og mindre invasive medicinske procedurer og diagnostik.

Reindustrialisering vil også gavne virksomheden, da dens komponenter vil blive fundet i industrielle robotter, printere og målesystemer gennem nye eller opdaterede fabrikker.

Endelig kan CTS drage fordel af voksende militære budgetter, da deres komponenter findes i undervandssonarer, ubemandede undervandsfartøjer, ammunition og satellitter.

Dette gør CTS ikke kun til en virksomhed, der sandsynligvis vil drage fordel af den stigende anvendelse af piezoelektrisk teknologi, men også af forskellige andre nøgle-teknologier inden for sensorer og elektroniske komponenter, som er essentielle i alle de store økonomiske tendenser inden for reindustrialisering, elektrificering og stigende forsvarsudgifter.

Seneste CTS Corporation (CTS) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret

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 

mm

Jonathan er en tidligere biokemisk forsker, der har arbejdet med genetisk analyse og kliniske forsøg. Han er nu en aktieanalytiker og finansforfatter med fokus på innovation, markedscykler og geopolitik i sin publikation The Eurasian Century.