Datakeskusten tehokkuuden lisääminen paremmilla virtamuuntosipeleillä

Kun äänekäs laskenta ja AI‑datakeskukset ovat räjähdysmäisesti kasvaneet, laskentatehtävien energiankulutus on noussut kattoon, kasvaen paljon nopeammin kuin energian tarjonta tai siirtokapasiteetti. Tämä voi asettaa kovan ylärajan sille, kuinka paljon lisää laskentatehoa voidaan asentaa, sillä uusien energialähteiden rakentaminen on paljon hitaampaa ja vaikeampaa ratkaista nopeasti kuin aiemmat pullonkaulat AI‑piirien ja GPU:iden toimituksessa.

Siksi kaikki tehokkuuden parannukset datakeskuksissa ovat tärkeitä. Keskeinen osa on siirtyminen erikoistuneeseen, energiatehokkaampaan laskentalaitteistoon, kuten TPU:ihin, ASIC:eihin ym.

(Voit lukea lisää tästä aiheesta artikkelista “Investing in AI Hardware: From CPUs to XPUs”).

Toinen mahdollisuus on parantaa itse energiansyötön tehokkuutta. Useimmat datakeskukset toimivat korkean jännitteen virtalähteellä, mikä minimoi siirtohäviöt ja auttaa käsittelemään koko datakeskuksen valtavan energiatarpeen.

Mutta itse tietokonepiirit ovat paljon pienempiä ja hauraampia, toimien alemmilla jännitteillä. Siksi virtalähde täytyy muuntaa alhaisempaan jännitteeseen, mikä ei ole kovin tehokas toiminto.

Ainakin tähän asti, kun kolme Kalifornian yliopiston tutkijaa ovat saattaneet löytää uuden tavan jännitteen alentamiseen, joka olisi täydellinen jyrkän jännitehäviön korjaamiseen datakeskuksen virtalähteen ja GPU:iden/AI‑piirien välillä. He julkaisevat löydöksensä arvostetussa tieteellisessä lehdessä Nature Communications¹, otsikolla “A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter”.

Datakeskusten virtamuuntamisen uudistaminen

Miten virta syötetään GPU:ille

Useimmat nykyaikaiset datakeskukset toimivat virtalähteellä, joka on jakautunut hyllyjen läpi 48 V:n tasolla. Tämä on paljon korkeampi kuin aiemmin käytetty 12 V:n standardi. Tämä muutos johtui modernien piirien kasvavasta energiatarpeesta ja hyllyjen tilan puutteesta.

48 V on yksinkertaisesti tehokkaampi ja vaatii vähemmän virtamuunnoskomponentteja 120 V:n AC‑verkkoenergiasta DC‑sähköksi, jota piisirusiilit voivat käyttää.

Source: AndCables

Kuitenkin tämä luo uuden haasteen. Perinteiset alasaskelmuuntajat kamppailevat usein suurten syöte‑ ja lähtöjännitteen erojen kanssa.

“Kun tämä kuilu kasvaa, tehokkuus laskee ja riittävän virran toimittaminen vaikeutuu.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Ja itse piirit, jotka suorittavat laskennan, toimivat alhaisilla jännitteillä, 1–5 V välillä. Siksi siirtyminen 48 V:n virtalähteeseen datakeskuksen hyllyissä aiheuttaa muuntamisen tehokkuuden laskun.

Magneeteista piezoelektrisiin muuntajiin

Este tämän ongelman ratkaisemisessa on se, että nykyinen jännitteen alentamismenetelmä, magneettinen induktio, on melko kypsä ja hyvin ymmärretty teknologia. Kun näitä komponentteja on suunniteltu ja hiottu vuosien aikana, niiden edelleen parantaminen on yhä vaikeampaa.

“Olemme tulleet niin hyviksi induktiivisten muuntajien suunnittelussa, että ei enää ole juurikaan tilaa parantaa niitä tulevaisuuden tarpeisiin.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Tämän vuoksi tutkijat valitsivat erilaisen lähestymistavan, käyttäen piezoelektrisiä resonanssilaitteita. Nämä pienet laitteet varastoivat ja siirtävät energiaa mekaanisten värähtelyjen avulla magneettikenttien sijaan.

Kaiken kaikkiaan piezoelektriset komponentit ovat todennäköisesti pienempiä, energiapitoisempia, tehokkaampia ja helpommin massatuotettavia kuin magneettiset induktorit.

Kuitenkin tähän asti piezoelektriset muuntajat ovat kamppailleet suurten jänniteerojen käsittelemisessä ja tehokkuuden ylläpitämisessä.

Piezoelektristen muuntajien parantaminen

Ratkaistakseen perinteisten piezoelektristen muuntajien ongelman tutkijat loivat hybridimallin, yhdistäen piezoelektrisen resonanssin useisiin pieniin, kaupallisesti saatavilla oleviin kondensaattoreihin.

Kondensaattorit on aseteltu huolellisesti suunniteltuun kokoonpanoon, jonka avulla järjestelmä pystyy käsittelemään suurempia jännitemuunnoksia tehokkaammin. Tämä luo useita energian kulkureittejä järjestelmässä, vähentää hukkaenergiaa ja keventää resonanssin rasitusta.

Tämä prototyyppi muunsi onnistuneesti 48 volttia 4,8 volttiin huippu‑tehokkuudella 96,2 %. Tämä vastaa nelinkertaista lähtövirtaa verrattuna aiempiin piezoelektrisiin malleihin.

Lähde: ScienceDaily

Tämä on tietysti vain prototyyppi, ja lopullinen kaupallinen malli tarvitsee edelleen parannuksia. Erityisesti materiaalien tarkentamista, piirikaavioiden kehittämistä ja parempien pakkausmenetelmien kehittämistä.

Toinen ratkaistava ongelma on se, että piezoelektrinen järjestelmä värähtelee, joten sitä ei voida suoraan juottaa piirilevyyn, jottei se ravistele koko elektronista piiriä.

“Piezoelektriset muuntajat eivät ole vielä valmiita korvaamaan nykyisiä virtamuuntajateknologioita. Ne kuitenkin tarjoavat kehityssuuntausta. Meidän on jatkettava parantamista useilla alueilla – materiaaleissa, piireissä ja pakkausmenetelmissä – jotta tämä teknologia olisi valmis datakeskussovelluksiin.”
Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Tämä on vain yksi monista uusista sovelluksista, jotka nousevat esiin piezoelektrisen teknologian osalta, esimerkiksi myös:

• Nanomekaaniset resonanssit atomispinien mittaamiseen.
• Piezoelektriset polymerit vapaan energian keräämiseen, menetelmä, jota piezoelektriset komposiitit voisivat myös käyttää.
• Piirilevyjen pienentäminen muiden piezoelektristen virtamuuntajasuunnitelmien avulla

Sijoittaminen piezoelektriseen teknologiaan

Piezoelektristen laitteiden markkinat ovat jo laajat, 2024:n liikevaihto oli 35,59 miljardia dollaria, ja sen odotetaan kasvavan 7 % CAGR:lla 55,49 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä. Yksi alan johtajista on CTS Corporation (CTS ), joka valmistaa räätälöityjä ratkaisuja monille toimialoille, mukaan lukien teollisuus (lämpöpumput, robottiasennus, mittaus), kuljetus, lääketiede sekä avaruus‑ ja puolustusteollisuus.

Selvästi suurin yrityksen segmentti on autoteollisuus, joka tuottaa lähes puolet sen liikevaihdosta. Tämä riippuvuus kuitenkin vähenee, sillä lääke‑ ja avaruussegmentti on kasvanut nopeasti viime vuosina ja sen odotetaan jatkavan kasvuaan. 60 % myynnistä tapahtuu Pohjois-Amerikassa, 22 % Aasiassa ja 18 % Euroopassa.

Lähde: CTS

Yritys perustettiin vuonna 1896 alun perin nimellä Chicago Telephone Supply Company, myöhemmin lyhennettynä CTS:ksi.

CTS tuottaa antureita ja elektroniikkaa erikoissovelluksiin hyödyntäen magneettista ja piezoelektristä fysiikkaa, ja soveltaen niitä antureissa, siruissa, kuvantamisessa, tutka‑järjestelmissä, toimilaitteissa, ohjauksissa ym.

Lähde: CTS

Yrityksen tuotevalikoima on hyvin asemoitu hyötymään automaatiosta ja sähköistämisestä sekä terveydenhuollon innovaatioista antureiden ja vähemmän invasiivisten lääketieteellisten toimenpiteiden ja diagnostiikan osalta.

Uudelleindustrialisointi hyödyttää myös yritystä, sillä sen komponentit löytyvät teollisuusroboteista, tulostimista ja mittausjärjestelmistä uusissa tai päivitettyjen tehtaiden kautta.

Lopuksi CTS voi hyötyä kasvavista sotilasbudjeteista, sillä sen komponentit löytyvät vedenalaisista sonareista, miehittämättömistä vedenalaisista ajoneuvoista, ammuksista ja satelliiteista.

Tämä tekee CTS:stä yrityksen, joka ei ainoastaan hyödy piezoelektrisen teknologian laajenevasta käytöstä, vaan myös useista muista keskeisistä anturi- ja elektroniikkakomponenttiteknologioista, jotka ovat olennaisia kaikissa suurissa taloudellisissa trendeissä, kuten uudelleindustrialisoinnissa, sähköistämisessä ja kasvavassa puolustusmenossa.

Uusimmat CTS Corporation (CTS) osakeuutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

^{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}