Αύξηση της Αποδοτικότητας των Κέντρων Δεδομένων με Καλύτερα Chip Μετατροπής Ενέργειας

Με την άνθιση της έντονης υπολογιστικής και των κέντρων δεδομένων AI, η κατανάλωση ενέργειας των υπολογιστικών εργασιών αυξάνεται εκθετικά, αναπτύσσοντας πολύ πιο γρήγορα από την αύξηση της προσφοράς ενέργειας ή της χωρητικότητας μετάδοσης. Αυτό θα μπορούσε να θέσει ένα σκληρό ανώτατο όριο στο πόση επιπλέον υπολογιστική ισχύ μπορεί να εγκατασταθεί, καθώς η δημιουργία νέων πηγών ενέργειας είναι πολύ πιο αργή και δύσκολη να λυθεί γρήγορα από τα προηγούμενα σημεία συμφόρησης στην προσφορά των chip AI και GPU.

Γι’ αυτό είναι σημαντική κάθε βελτίωση στην αποδοτικότητα των κέντρων δεδομένων. Ένα βασικό μέρος θα είναι η μετάβαση σε εξειδικευμένο, πιο ενεργειακά αποδοτικό υλικό υπολογιστών, όπως TPUs, ASICs κ.λπ.

(Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτό το θέμα στο “Επένδυση σε Υλικό AI: Από CPUs σε XPUs”).

Μια άλλη δυνατότητα είναι η βελτίωση της αποδοτικότητας της ίδιας της παροχής ενέργειας. Τα περισσότερα κέντρα δεδομένων λειτουργούν με παροχή υψηλής τάσης, η οποία ελαχιστοποιεί τις απώλειες μετάδοσης και βοηθά στη διαχείριση της τεράστιας ποσότητας ενέργειας που χρειάζεται ολόκληρο το κέντρο δεδομένων.

Αλλά τα ίδια τα chip υπολογιστών είναι πολύ μικρότερα και ευαίσθητα, λειτουργώντας σε χαμηλότερες τάσεις. Έτσι η παροχή ενέργειας πρέπει να μετατραπεί σε χαμηλότερη τάση, κάτι που δεν είναι πολύ αποδοτική λειτουργία.

Τουλάχιστον μέχρι τώρα, τρεις ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας μπορεί να έχουν ανακαλύψει έναν νέο τρόπο μείωσης της τάσης που θα ήταν ιδανικός για τη μεγάλη πτώση τάσης μεταξύ της παροχής ενέργειας του κέντρου δεδομένων και των GPU/AI chip. Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο καταξιωμένο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications¹, με τίτλο “Υβριδικός μετατροπέας DC-DC βασισμένος σε πιεζοηλεκτρικό ταλαντωτή”.

Επανάσταση στη Μετατροπή Ενέργειας των Κέντρων Δεδομένων

Πώς Παρέχεται η Ενέργεια στα GPU

Τα περισσότερα σύγχρονα κέντρα δεδομένων λειτουργούν με παροχή ενέργειας διανεμημένη σε όλα τα ράφια στα 48V. Είναι πολύ υψηλότερο από το προηγούμενο πρότυπο των 12V. Αυτή η αλλαγή οφείλεται στην αυξανόμενη ζήτηση ενέργειας από τα σύγχρονα chip και στην έλλειψη χώρου στα ράφια που τα φιλοξενούν.

Τα 48V είναι απλώς πιο αποδοτικά και απαιτούν λιγότερα εξαρτήματα μετατροπής ενέργειας για τη μετατροπή της παροχής 120V AC από το δίκτυο σε DC ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα πυριτίδια.

Πηγή: AndCables

Ωστόσο, αυτό δημιουργεί μια νέα πρόκληση. Οι συμβατικοί μετατροπείς step-down συχνά δυσκολεύονται όταν αντιμετωπίζουν μεγάλες διαφορές μεταξύ της εισόδου και της εξόδου τάσης.

“Καθώς αυξάνεται αυτό το χάσμα, η αποδοτικότητα μειώνεται και γίνεται πιο δύσκολο να παρασχεθεί αρκετό ρεύμα.”

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

Και τα ίδια τα chip, το τμήμα που πραγματικά εκτελεί τον υπολογισμό, λειτουργούν σε χαμηλές τάσεις, από 1 έως 5 βολτ. Έτσι, η μετάβαση σε παροχή 48V στα ράφια του κέντρου δεδομένων προκαλεί τη μείωση της αποδοτικότητας της μετατροπής.

Από Μαγνήτες σε Πιεζοηλεκτρικούς Μετατροπείς

Ένα εμπόδιο στην επίλυση αυτού του προβλήματος είναι ότι η τρέχουσα μέθοδος μείωσης της τάσης, η μαγνητική επαγωγή, είναι μια αρκετά ώριμη και καλά κατανοητή τεχνολογία. Καθώς αυτά τα εξαρτήματα έχουν σχεδιαστεί και βελτιωθεί με τα χρόνια, γίνεται όλο και πιο δύσκολο να βελτιωθούν περαιτέρω.

“Έχουμε γίνει τόσο καλοί στο σχεδιασμό επαγωγικών μετατροπέων που δεν υπάρχει πραγματικά πολύς χώρος για περαιτέρω βελτιώσεις ώστε να καλύψουν τις μελλοντικές ανάγκες.”

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

Γι’ αυτό οι ερευνητές υιοθέτησαν μια διαφορετική προσέγγιση, χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρικούς ταλαντωτές. Αυτές οι μικρές συσκευές αποθηκεύουν και μεταφέρουν ενέργεια μέσω μηχανικών δονήσεων αντί για μαγνητικά πεδία.

Συνολικά, τα πιεζοηλεκτρικά εξαρτήματα είναι πιθανό να είναι μικρότερα, πιο ενεργειακά πυκνά, πιο αποδοτικά και πιο εύκολα στην μαζική παραγωγή σε σύγκριση με τους μαγνητικούς επαγωγείς.

Ωστόσο, μέχρι τώρα, οι πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς δυσκολεύονταν να αντιμετωπίσουν μεγάλες διαφορές τάσης και να διατηρήσουν την αποδοτικότητα.

Βελτίωση των Πιεζοηλεκτρικών Μετατροπέων

Για να λύσουν το πρόβλημα των κλασικών πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υβριδικό σχέδιο, συνδυάζοντας έναν πιεζοηλεκτρικό ταλαντωτή με αρκετές μικρές, εμπορικά διαθέσιμες πυκνωτές.

Οι πυκνωτές τοποθετούνται σε μια προσεκτικά σχεδιασμένη διαμόρφωση που επιτρέπει στο σύστημα να διαχειρίζεται μεγαλύτερες μετατροπές τάσης πιο αποτελεσματικά. Αυτό δημιουργεί πολλαπλές διαδρομές για την ενέργεια να διασχίζει το σύστημα, μειώνει την σπατάλη ενέργειας και ελαφρύνει την καταπόνηση του ταλαντωτή.

Αυτό το πρωτότυπο μετέτρεψε επιτυχώς 48 βολτ σε 4,8 βολτ με μέγιστη αποδοτικότητα 96,2%. Αυτό αντιπροσωπεύει 4 φορές μεγαλύτερο ρεύμα εξόδου σε σύγκριση με προηγούμενα σχέδια βασισμένα σε πιεζοηλεκτρική τεχνολογία.

Πηγή: ScienceDaily

Αυτό, φυσικά, είναι μόνο ένα πρωτότυπο, και ένα τελικό εμπορικό σχέδιο θα χρειαστεί ακόμη βελτιώσεις. Συγκεκριμένα, θα χρειαστεί βελτίωση των υλικών, βελτίωση των σχεδίων κυκλωμάτων και ανάπτυξη καλύτερων μεθόδων συσκευασίας.

Ένα ακόμη ζήτημα που πρέπει να λυθεί είναι ότι το πιεζοηλεκτρικό σύστημα δονείται, οπότε δεν μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας με συγκόλληση στην πλακέτα, ώστε να μην κουνάει ολόκληρο το ηλεκτρονικό chip.

“Οι μετατροπείς βασισμένοι σε πιεζοηλεκτρική τεχνολογία δεν είναι ακόμη έτοιμοι να αντικαταστήσουν τις υπάρχουσες τεχνολογίες μετατροπής ενέργειας. Ωστόσο, προσφέρουν μια πορεία βελτίωσης. Πρέπει να συνεχίσουμε να βελτιώνουμε πολλούς τομείς — υλικά, κυκλώματα και συσκευασία — ώστε αυτή η τεχνολογία να είναι έτοιμη για εφαρμογές σε κέντρα δεδομένων.”

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

Αυτή θα είναι μόνο μία από τις πολλές νέες εφαρμογές που εμφανίζονται για την πιεζοηλεκτρική τεχνολογία, η οποία, για παράδειγμα, περιλαμβάνει επίσης:

• Νανομηχανικοί ταλαντωτές για τη μέτρηση ατομικών σπιντ.
• Πιεζοηλεκτρικά πολυμερή για τη συλλογή ελεύθερης ενέργειας, μια μέθοδος που τα πιεζοηλεκτρικά σύνθετα θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιήσουν.
• Σμίκρυνση πλακέτας με άλλες σχεδιάσεις πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων ενέργειας

Επένδυση στην Πιεζοηλεκτρική Τεχνολογία

CTS Corporation

Η αγορά των πιεζοηλεκτρικών συσκευών είναι ήδη μεγάλη, με $35,59 δισεκατομμύρια έσοδα το 2024, αναμένεται να αυξηθεί 7% CAGR σε $55,49 δισεκατομμύρια μέχρι το 2030. Ένας από τους ηγέτες σε αυτόν τον τομέα είναι η CTS Corporation, ένας κατασκευαστής προσαρμοσμένων λύσεων για πολλές βιομηχανίες, συμπεριλαμβανομένης της βιομηχανίας (θερμική αντλία, ρομποτική τοποθέτηση, μέτρηση), των μεταφορών, της ιατρικής και της αεροδιαστημικής & άμυνας.

Κατά πολύ, ο τομέας της αυτοκινητοβιομηχανίας είναι το μεγαλύτερο τμήμα της εταιρείας, αποτελώντας σχεδόν το μισό των εσόδων της. Αυτό, ωστόσο, είναι μια μειούμενη εξάρτηση, με τον ιατρικό και αεροδιαστημικό τομέα να έχουν αυξηθεί γρήγορα τα τελευταία χρόνια και να αναμένεται να συνεχίσουν να το κάνουν. Το 60% των πωλήσεων πραγματοποιείται στη Βόρεια Αμερική, το 22% στην Ασία και το 18% στην Ευρώπη.

Πηγή: CTS

Η εταιρεία ιδρύθηκε το 1896, αρχικά ως Chicago Telephone Supply Company, αργότερα συντομευμένο σε CTS.

Η CTS παράγει αισθητήρες και ηλεκτρονικά για εξειδικευμένες εφαρμογές, χρησιμοποιώντας μαγνητική και πιεζοηλεκτρική φυσική, και τα εφαρμόζει σε αισθητήρες, chip, απεικόνιση, ραντάρ, ενεργοποιητές, ελέγχους κ.λπ.

Πηγή: CTS

Η σειρά προϊόντων της εταιρείας είναι καλά τοποθετημένη για να ωφεληθεί από τον αυτοματισμό και την ηλεκτροποίηση, καθώς και από την καινοτομία στην υγειονομική περίθαλψη για αισθητήρες και λιγότερο επεμβατικές ιατρικές διαδικασίες και διαγνωστικά.

Η επανεξέλιξη της βιομηχανίας θα ωφελήσει επίσης την εταιρεία, καθώς τα εξαρτήματά της θα βρεθούν σε βιομηχανικά ρομπότ, εκτυπωτές και συστήματα μέτρησης μέσω νέων ή ανανεωμένων εργοστασίων.

Τέλος, η CTS θα μπορούσε να ωφεληθεί από την αύξηση των στρατιωτικών προϋπολογισμών, καθώς τα εξαρτήματά της βρίσκονται σε υποβρύχια σονάρ, μη επανδρωμένα υποβρύχια οχήματα, πυρομαχικά και δορυφόρους.

Αυτό καθιστά την CTS όχι μόνο μια εταιρεία που πιθανότατα θα ωφεληθεί από την ευρύτερη χρήση της πιεζοηλεκτρικής τεχνολογίας, αλλά και από διάφορες άλλες βασικές τεχνολογίες σε αισθητήρες και ηλεκτρονικά εξαρτήματα, απαραίτητα σε όλες τις κύριες οικονομικές τάσεις της επανεξέλιξης, της ηλεκτροποίησης και της αύξησης των αμυντικών δαπανών.

Τελευταία CTS Corporation (CTS) Ειδήσεις και Αναπτυξιακές Εξελίξεις

Μελέτη Αναφορά

^{1. Ko, JY., Liu, WC.B., & Mercier, P.P. Υβριδικός μετατροπέας DC-DC βασισμένος σε πιεζοηλεκτρικό ταλαντωτή. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0}