Aumentando la eficiencia de los centros de datos con mejores chips de conversión de energía

Con el auge de la computación intensiva y los centros de datos de IA, el consumo de energía de las tareas informáticas está disparándose, creciendo mucho más rápido que el aumento de la oferta de energía o la capacidad de transmisión. Esto podría imponer un límite superior rígido a cuánta capacidad de cómputo adicional se puede instalar, ya que la construcción de nuevas fuentes de energía es mucho más lenta y difícil de resolver rápidamente que los cuellos de botella anteriores en el suministro de chips de IA y GPU.

Por eso cualquier mejora en la eficiencia de los centros de datos es importante. Una parte clave será cambiar a hardware de cómputo especializado y más eficiente energéticamente, como TPUs, ASICs, etc.

(Puedes leer más sobre este tema en “Invertir en hardware de IA: de CPU a XPU”).

Otra posibilidad es mejorar la eficiencia del suministro de energía en sí. La mayoría de los centros de datos operan con un suministro de energía de alto voltaje, lo que minimiza las pérdidas de transmisión y ayuda a manejar la enorme cantidad de energía que necesita todo el centro de datos.

Pero los propios chips informáticos son mucho más pequeños y frágiles, operando a voltajes más bajos. Por lo tanto, el suministro de energía debe convertirse a un voltaje inferior, lo cual no es una operación muy eficiente.

Al menos hasta ahora, tres investigadores de la Universidad de California podrían haber descubierto una nueva forma de reducir el voltaje que sería perfecta para la pronunciada caída de voltaje entre el suministro de energía del centro de datos y las GPU/chips de IA. Publicaron sus hallazgos en la prestigiosa revista científica Nature Communications¹, bajo el título “Un convertidor DC-DC basado en resonador piezoeléctrico híbrido”.

Reinventando la conversión de energía en centros de datos

Cómo se suministra energía a las GPU

La mayoría de los centros de datos modernos operan con un suministro de energía distribuido a lo largo de los bastidores a 48V. Es mucho más alto que el estándar previamente usado de 12V. Este cambio fue impulsado por la creciente demanda de energía de los chips modernos y la falta de espacio en los bastidores que los albergan.

48V es simplemente más eficiente y requiere menos componentes de conversión de energía para transformar el suministro de la red de 120V AC en electricidad DC utilizable por los chips de silicio.

Fuente: AndCables

Sin embargo, esto crea un nuevo desafío. Los convertidores reductores convencionales a menudo tienen dificultades al manejar grandes diferencias entre el voltaje de entrada y el de salida.

“A medida que esa brecha aumenta, la eficiencia disminuye y se vuelve más difícil suministrar suficiente corriente.”

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

Y los propios chips, la parte que realmente realiza el cómputo, operan a bajos voltajes, de 1 a 5 voltios. Por lo tanto, el cambio a un suministro de 48V para los bastidores del centro de datos hace que la eficiencia de la conversión disminuya.

De los imanes a los convertidores piezoeléctricos

Un obstáculo para resolver este problema es que el método actual utilizado para reducir el voltaje, la inducción magnética, es una tecnología bastante madura y bien comprendida. A medida que estos componentes han sido diseñados y refinados a lo largo de los años, se vuelve más difícil mejorarlos aún más.

“Nos hemos vuelto tan buenos diseñando convertidores inductivos que realmente no queda mucho margen para mejorarlos y satisfacer las necesidades futuras.”

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

Por eso los investigadores adoptaron un enfoque diferente, usando resonadores piezoeléctricos. Estos pequeños dispositivos almacenan y transfieren energía mediante vibraciones mecánicas en lugar de campos magnéticos.

En general, los componentes piezoeléctricos probablemente serán más pequeños, con mayor densidad energética, más eficientes y más fáciles de fabricar a escala que los inductores magnéticos.

Sin embargo, hasta ahora, los convertidores piezoeléctricos han tenido dificultades para manejar grandes diferencias de voltaje y mantener la eficiencia.

Mejorando los convertidores piezoeléctricos

Para resolver el problema de los convertidores piezoeléctricos clásicos, los investigadores crearon un diseño híbrido, combinando un resonador piezoeléctrico con varios condensadores pequeños y comercialmente disponibles.

Los condensadores se disponen en una configuración cuidadosamente diseñada que permite al sistema manejar conversiones de voltaje mayores de manera más eficaz. Esto crea múltiples vías para que la energía fluya a través del sistema, reduce la energía desperdiciada y alivia la tensión sobre el resonador.

Este prototipo convirtió con éxito 48 voltios a 4.8 voltios con una eficiencia máxima del 96.2%. Esto representa 4 veces más corriente de salida que los diseños anteriores basados en piezoelectricidad.

Fuente: ScienceDaily

Esto, por supuesto, es solo un prototipo, y un diseño comercial final aún necesitará algunas mejoras. En particular, será necesario refinar los materiales, mejorar los diseños de circuitos y desarrollar mejores métodos de empaquetado.

Otro problema a resolver es que el sistema piezoeléctrico vibra, por lo que no pueden soldarse directamente a la placa de circuito, ya que podrían sacudir todo el chip electrónico.

“Los convertidores basados en piezoelectricidad aún no están listos para reemplazar las tecnologías de conversión de energía existentes. Pero ofrecen una trayectoria de mejora. Necesitamos seguir mejorando en múltiples áreas — materiales, circuitos y empaquetado — para que esta tecnología esté lista para aplicaciones en centros de datos.”

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

Esto será solo una entre muchas nuevas aplicaciones emergentes para la tecnología piezoeléctrica, que, por ejemplo, también incluye:

• Resonadores nanomecánicos para medir espines atómicos.
• Polímeros piezoeléctricos para cosechar energía libre, un método que los composites piezoeléctricos también podrían usar.
• Reducir placas de circuito con otros diseños de convertidores de energía piezoeléctricos

Invertir en tecnología piezoeléctrica

CTS Corporation

El mercado de dispositivos piezoeléctricos ya es grande, con $35.59 mil millones en ingresos en 2024, y se espera que crezca un 7 % CAGR hasta $55.49 mil millones para 2030. Uno de los líderes en este sector es CTS Corporation, un fabricante de soluciones de ingeniería personalizada para muchas industrias, incluyendo industrial (bomba de calor, posicionamiento robótico, medición), transporte, médica y aeroespacial y defensa.

De lejos, el sector automotriz es el segmento más grande de la empresa, generando casi la mitad de sus ingresos. Sin embargo, esta dependencia está disminuyendo, ya que los segmentos médico y aeroespacial han crecido rápidamente en los últimos años y se espera que continúen haciéndolo. El 60 % de las ventas se realiza en Norteamérica, el 22 % en Asia y el 18 % en Europa.

Fuente: CTS

La empresa fue fundada en 1896, inicialmente como Chicago Telephone Supply Company, luego abreviada a CTS.

CTS produce sensores y electrónica para aplicaciones de nicho, utilizando física magnética y piezoeléctrica, y aplicándolos en sensores, chips, imágenes, radares, actuadores, controles, etc.

Fuente: CTS

La gama de productos de la empresa está bien posicionada para beneficiarse de la automatización y electrificación, así como de la innovación en salud para sensores y procedimientos médicos menos invasivos y diagnósticos.

La reindustrialización también beneficiará a la empresa, ya que sus componentes se encontrarán en robots industriales, impresoras y sistemas de medición a través de fábricas nuevas o actualizadas.

Por último, CTS podría beneficiarse del creciente gasto militar, ya que sus componentes se encuentran en sonares submarinos, vehículos submarinos no tripulados, municiones y satélites.

Esto hace que CTS no solo sea una empresa que probablemente se beneficie de la creciente utilización de la tecnología piezoeléctrica, sino también de diversas otras tecnologías clave en sensores y componentes electrónicos esenciales en todas las principales tendencias económicas de reindustrialización, electrificación y aumento del gasto en defensa.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de CTS Corporation (CTS)

Estudio Referenciado

^{1. Ko, JY., Liu, WC.B., & Mercier, P.P. Un convertidor DC-DC basado en resonador piezoeléctrico híbrido. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0}