Steigerung der Effizienz von Rechenzentren durch bessere Stromwandlungschips

Mit dem Boom im lauten Computing und bei KI‑Rechenzentren steigt der Energieverbrauch von Rechenaufgaben in die Höhe und wächst deutlich schneller als das Wachstum der Energieversorgung oder der Übertragungskapazität. Dies könnte eine harte Obergrenze dafür setzen, wie viel weitere Rechenkapazität installiert werden kann, wobei der Aufbau neuer Energiequellen viel langsamer und schwieriger zu lösen ist als frühere Engpässe in der Versorgung mit KI‑Chips und GPUs.

Deshalb ist jede Verbesserung der Effizienz in Rechenzentren wichtig. Ein entscheidender Teil wird der Umstieg auf spezialisierte, energieeffizientere Rechenhardware sein, wie TPUs, ASICs und so weiter.

(Sie können mehr zu diesem Thema lesen in “Investing in AI Hardware: From CPUs to XPUs”).

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Effizienz der Energieversorgung selbst zu verbessern. Die meisten Rechenzentren arbeiten mit einer Hochspannungsstromversorgung, die Übertragungsverluste minimiert und hilft, die enorme Energiemenge zu bewältigen, die das gesamte Rechenzentrum benötigt.

Aber die Computerchips selbst sind viel kleiner und empfindlicher und arbeiten bei niedrigeren Spannungen. Daher muss die Stromversorgung auf eine niedrigere Spannung umgewandelt werden, was kein besonders effizienter Vorgang ist.

Bis jetzt haben drei Forscher der University of California möglicherweise einen neuen Weg zur Spannungsreduzierung entdeckt, der perfekt für den steilen Spannungsabfall zwischen der Stromversorgung des Rechenzentrums und GPUs/AI‑Chips geeignet wäre. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications¹ unter dem Titel “A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter”.

Neugestaltung der Stromwandlung in Rechenzentren

Wie Strom zu GPUs geliefert wird

Die meisten modernen Rechenzentren arbeiten mit einer Stromversorgung, die über die Racks bei 48 V verteilt ist. Das ist deutlich höher als der zuvor verwendete Standard von 12 V. Diese Änderung wurde durch die wachsende Stromnachfrage moderner Chips und den Platzmangel in den Racks, die sie beherbergen, getrieben.

48 V ist einfach effizienter und erfordert weniger Stromwandlungskomponenten, um die 120 V‑Wechselstrom‑Netzversorgung in für die Siliziumchips nutzbaren Gleichstrom umzuwandeln.

Quelle: AndCables

Dies schafft jedoch eine neue Herausforderung. Konventionelle Abwärtswandler haben oft Schwierigkeiten, wenn sie mit großen Unterschieden zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung umgehen müssen.

„Wenn diese Lücke größer wird, sinkt die Effizienz und es wird schwieriger, genug Strom zu liefern.“

Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Und die Chips selbst, der Teil, der tatsächlich die Berechnungen durchführt, arbeiten bei niedrigen Spannungen von 1 bis 5 Volt. Daher führt die Umstellung auf eine 48‑V‑Versorgung der Rechenzentrums‑Racks dazu, dass die Effizienz der Umwandlung sinkt.

Von Magneten zu piezoelektrischen Wandlern

Ein Hindernis bei der Lösung dieses Problems ist, dass die derzeitige Methode zur Spannungsreduzierung, magnetische Induktion, eine recht ausgereifte und gut verstandene Technologie ist. Da diese Komponenten über die Jahre hinweg entworfen und verfeinert wurden, wird es immer schwieriger, sie weiter zu verbessern.

„Wir sind so gut geworden im Entwerfen induktiver Wandler, dass kaum noch Spielraum bleibt, sie weiter zu verbessern, um zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden.“

Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Deshalb haben die Forscher einen anderen Ansatz gewählt und piezoelektrische Resonatoren verwendet. Diese kleinen Geräte speichern und übertragen Energie durch mechanische Vibrationen statt durch magnetische Felder.

Insgesamt werden piezoelektrische Komponenten wahrscheinlich kleiner, energiedichter, effizienter und leichter in großem Maßstab herzustellen sein als magnetische Induktivitäten.

Bisher hatten piezoelektrische Wandler jedoch Schwierigkeiten, große Spannungsunterschiede zu bewältigen und die Effizienz aufrechtzuerhalten.

Verbesserung piezoelektrischer Wandler

Um das Problem klassischer piezoelektrischer Wandler zu lösen, entwickelten die Forscher ein Hybriddesign, das einen piezoelektrischen Resonator mit mehreren kleinen, kommerziell erhältlichen Kondensatoren kombiniert.

Die Kondensatoren sind in einer sorgfältig entworfenen Anordnung platziert, die es dem System ermöglicht, größere Spannungsumwandlungen effektiver zu bewältigen. Dadurch entstehen mehrere Wege, über die Energie durch das System fließen kann, was verschwendete Leistung reduziert und die Belastung des Resonators verringert.

Dieser Prototyp wandelt erfolgreich 48 Volt auf 4,8 Volt um, mit einer Spitzen­effizienz von 96,2 %. Das entspricht dem Vier‑fachen des Ausgangsstroms im Vergleich zu früheren piezoelektrischen Designs.

Quelle: ScienceDaily

Dies ist natürlich nur ein Prototyp, und ein endgültiges kommerzielles Design wird noch Verbesserungen benötigen. Insbesondere müssen Materialien verfeinert, Schaltungsdesigns verbessert und bessere Verpackungsmethoden entwickelt werden.

Ein weiteres zu lösendes Problem ist, dass das piezoelektrische System vibriert, sodass es nicht direkt auf die Leiterplatte gelötet werden kann, da sonst das gesamte elektronische Bauteil erschüttert würde.

„Piezoelektrische Wandler sind noch nicht ganz bereit, die bestehenden Stromwandlungstechnologien zu ersetzen. Aber sie bieten eine Entwicklungsperspektive. Wir müssen in mehreren Bereichen – Materialien, Schaltungen und Verpackung – weiter Verbesserungen vornehmen, um diese Technologie für Rechenzentrumsanwendungen bereit zu machen.“

Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Dies wird nur eine von vielen neuen Anwendungen sein, die für die piezoelektrische Technologie entstehen, zu denen beispielsweise auch gehören:

• Nanomechanische Resonatoren zur Messung atomarer Spins.
• Piezoelektrische Polymere zur Gewinnung von Freiernergie, eine Methode, die piezoelektrische Verbundstoffe ebenfalls nutzen könnten.
• Verkleinerung von Leiterplatten mit anderen Designs piezoelektrischer Stromwandler

Investition in piezoelektrische Technologie

CTS Corporation

Der Markt für piezoelektrische Geräte ist bereits groß, mit 35,59 Mrd. $ Umsatz im Jahr 2024, voraussichtlich ein CAGR‑Wachstum von 7 % auf 55,49 Mrd. $ bis 2030. Mit $35.59B in revenues in 2024, expected to grow 7% CAGR to $55.49B by 2030. Einer der Marktführer in diesem Sektor ist die CTS Corporation, ein Hersteller von kundenspezifisch entwickelten Lösungen für zahlreiche Branchen, darunter Industrie (Wärmepumpen, robotische Positionierung, Messungen), Transport, Medizin sowie Luft‑ und Raumfahrt & Verteidigung.

Bei weitem ist der Automobilsektor das größte Segment des Unternehmens und macht fast die Hälfte des Umsatzes aus. Dies ist jedoch eine abnehmende Abhängigkeit, da das Medizin- und Luft‑ und Raumfahrtsegment in den letzten Jahren stark gewachsen ist und voraussichtlich weiter wachsen wird. 60 % der Verkäufe erfolgen in Nordamerika, 22 % in Asien und 18 % in Europa.

Quelle: CTS

Das Unternehmen wurde 1896 gegründet, zunächst als Chicago Telephone Supply Company, später zu CTS verkürzt.

CTS produziert Sensoren und Elektronik für Nischenanwendungen, nutzt dabei magnetische und piezoelektrische Physik und wendet sie in Sensoren, Chips, Bildgebung, Radaren, Aktuatoren, Steuerungen usw. an.

Quelle: CTS

Das Produktportfolio des Unternehmens ist gut positioniert, um von Automatisierung und Elektrifizierung sowie von Innovationen im Gesundheitswesen für Sensoren und weniger invasive medizinische Verfahren und Diagnostik zu profitieren.

Die Reindustrialisierung wird dem Unternehmen ebenfalls zugutekommen, da seine Komponenten in industriellen Robotern, Druckern und Messsystemen in neuen oder aktualisierten Fabriken eingesetzt werden.

Schließlich könnte CTS von wachsenden Militärbudgets profitieren, da seine Komponenten in Unterwassersonaren, unbemannten Unterwasserfahrzeugen, Munition und Satelliten zu finden sind.

Damit ist CTS nicht nur ein Unternehmen, das voraussichtlich von der zunehmenden Nutzung piezoelektrischer Technologie profitiert, sondern auch von verschiedenen anderen Schlüsseltechnologien in Sensoren und elektronischen Komponenten, die für alle wichtigen Wirtschaftstrends wie Reindustrialisierung, Elektrifizierung und steigende Verteidigungsausgaben von entscheidender Bedeutung sind.

Neueste CTS Corporation (CTS) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie referenziert

^{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}