Améliorer l’efficacité des centres de données grâce à de meilleures puces de conversion d’énergie

Avec le boom de l’informatique intensive et des centres de données IA, la consommation d’énergie des tâches informatiques explose, croissant beaucoup plus rapidement que la croissance de l’approvisionnement en énergie ou de la capacité de transmission. Cela pourrait imposer une limite supérieure stricte au nombre de capacités de calcul supplémentaires pouvant être installées, la construction de nouvelles sources d’énergie étant bien plus lente et difficile à résoudre rapidement que les précédents goulets d’étranglement dans l’approvisionnement en puces IA et GPU.

C’est pourquoi toute amélioration de l’efficacité dans les centres de données est importante. Une partie clé sera le passage à du matériel informatique spécialisé et plus économe en énergie, comme les TPU, les ASIC, etc.

(Vous pouvez en savoir plus sur ce sujet dans « Investir dans le matériel IA : des CPU aux XPU »).

Une autre possibilité est d’améliorer l’efficacité de l’alimentation énergétique elle-même. La plupart des centres de données fonctionnent avec une alimentation haute tension, ce qui minimise les pertes de transmission et aide à gérer l’énorme quantité d’énergie dont l’ensemble du centre de données a besoin.

Mais les puces informatiques elles‑mêmes sont beaucoup plus petites et fragiles, fonctionnant à des tensions plus basses. Ainsi, l’alimentation doit être convertie à une tension inférieure, ce qui n’est pas une opération très efficace.

Jusqu’à présent, trois chercheurs de l’Université de Californie ont peut‑être découvert une nouvelle façon de réduire la tension qui serait parfaite pour la forte chute de tension entre l’alimentation du centre de données et les GPU/puces IA. Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue scientifique Nature Communications¹, sous le titre « Un convertisseur DC‑DC hybride à résonateur piézoélectrique».

Réinventer la conversion d’énergie des centres de données

Comment l’alimentation est fournie aux GPU

La plupart des centres de données modernes fonctionnent avec une alimentation distribuée dans les baies à 48 V. C’est bien plus élevé que la norme précédemment utilisée de 12 V. Ce changement a été motivé par la demande croissante en énergie des puces modernes et le manque d’espace dans les baies qui les hébergent.

Le 48 V est simplement plus efficace et nécessite moins de composants de conversion d’énergie pour transformer l’alimentation du réseau 120 V AC en électricité DC utilisable par les puces en silicium.

Source: AndCables

Cependant, cela crée un nouveau défi. Les convertisseurs abaisseurs conventionnels peinent souvent à gérer de grandes différences entre la tension d’entrée et la tension de sortie.

« À mesure que cet écart augmente, l’efficacité chute et il devient plus difficile de fournir suffisamment de courant. »

Patrick Mercier – Professeur à l’UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Et les puces elles‑mêmes, la partie qui effectue réellement le calcul, fonctionnent à de faibles tensions, de 1 à 5 volts. Ainsi, le passage à une alimentation de 48 V pour les baies du centre de données fait chuter l’efficacité de la conversion.

Des aimants aux convertisseurs piézoélectriques

Un obstacle à la résolution de ce problème est que la méthode actuelle utilisée pour réduire la tension, l’induction magnétique, est une technologie assez mature et bien comprise. Au fil des années, ces composants ont été conçus et perfectionnés, ce qui rend leur amélioration supplémentaire de plus en plus difficile.

« Nous sommes devenus tellement bons à concevoir des convertisseurs inductifs qu’il ne reste plus vraiment de place pour les améliorer afin de répondre aux besoins futurs. »

Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.
C’est pourquoi les chercheurs ont adopté une approche différente, en utilisant des résonateurs piézoélectriques. Ces petits dispositifs stockent et transfèrent l’énergie via des vibrations mécaniques plutôt que des champs magnétiques.

Dans l’ensemble, les composants piézoélectriques sont susceptibles d’être plus petits, plus denses en énergie, plus efficaces et plus faciles à fabriquer à grande échelle que les inducteurs magnétiques.

Cependant, jusqu’à présent, les convertisseurs piézoélectriques ont eu du mal à gérer de grandes différences de tension tout en maintenant leur efficacité.

Améliorer les convertisseurs piézoélectriques

Pour résoudre le problème des convertisseurs piézoélectriques classiques, les chercheurs ont créé un design hybride, combinant un résonateur piézoélectrique avec plusieurs petits condensateurs commercialement disponibles.

Les condensateurs sont disposés dans une configuration soigneusement conçue qui permet au système de gérer des conversions de tension plus importantes de manière plus efficace. Cela crée de multiples voies pour le déplacement de l’énergie à travers le système, réduit la puissance gaspillée et diminue la contrainte sur le résonateur.

Ce prototype a réussi à convertir 48 volts en 4,8 volts avec une efficacité maximale de 96,2 %. Cela représente 4 fois plus de courant de sortie que les conceptions précédentes basées sur le piézoélectrique.

Source: ScienceDaily

Il s’agit, bien sûr, uniquement d’un prototype, et une conception commerciale finale nécessitera encore des améliorations. Notamment, il faudra affiner les matériaux, améliorer les conceptions de circuits et développer de meilleures méthodes d’emballage.

Un autre problème à résoudre est que le système piézoélectrique vibre, il ne peut donc pas être soudé directement sur la carte de circuit, de peur qu’il ne secoue l’ensemble de la puce électronique.

« Les convertisseurs basés sur le piézoélectrique ne sont pas encore prêts à remplacer les technologies de conversion d’énergie existantes. Mais ils offrent une trajectoire d’amélioration. Nous devons continuer à améliorer plusieurs domaines — les matériaux, les circuits et l’emballage — pour rendre cette technologie prête aux applications dans les centres de données. »

Patrick Mercier – Professor at the UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Ce sera l’une des nombreuses nouvelles applications émergentes pour la technologie piézoélectrique, qui, par exemple, comprend également :

• Résonateurs nanomécaniques pour mesurer les spins atomiques.
• Polymères piézoélectriques pour récolter de l’énergie gratuite, une méthode que les composites piézoélectriques pourraient également utiliser.
• Réduction de la carte de circuit avec d’autres conceptions de convertisseurs d’énergie piézoélectriques

Investir dans la technologie piézoélectrique

Le marché des dispositifs piézoélectriques est déjà important, avec 35,59 Mds $ de revenus en 2024, et devrait croître à un TCAC de 7 % pour atteindre 55,49 Mds $ d’ici 2030. L’un des leaders de ce secteur est CTS Corporation (CTS ), un fabricant de solutions sur mesure pour de nombreuses industries, notamment industrielle (pompes à chaleur, positionnement robotique, mesure), transport, médicale, ainsi que aérospatiale et défense.

De loin, le secteur automobile est le plus grand segment de l’entreprise, représentant près de la moitié de ses revenus. Cependant, cette dépendance diminue, le segment médical et aérospatial ayant connu une forte croissance ces dernières années et devant continuer ainsi. 60 % des ventes sont réalisées en Amérique du Nord, 22 % en Asie et 18 % en Europe.

Source: CTS

L’entreprise a été fondée en 1896, initialement sous le nom de Chicago Telephone Supply Company, puis raccourci en CTS.

CTS produit des capteurs et de l’électronique pour des applications de niche, en utilisant la physique magnétique et piézoélectrique, et les applique dans les capteurs, puces, imagerie, radars, actionneurs, contrôles, etc.

Source: CTS

Le portefeuille de produits de l’entreprise est bien placé pour bénéficier de l’automatisation et de l’électrification, ainsi que de l’innovation dans le domaine de la santé pour les capteurs et les procédures médicales moins invasives et le diagnostic.

La réindustrialisation profitera également à l’entreprise, car ses composants seront présents dans les robots industriels, les imprimantes et les systèmes de mesure grâce à de nouvelles usines ou à des usines modernisées.

Enfin, CTS pourrait bénéficier de l’augmentation des budgets militaires, ses composants étant présents dans les sonars sous-marins, les véhicules sous-marins sans pilote, les munitions et les satellites.

Cela fait de CTS non seulement une entreprise susceptible de profiter de l’élargissement de l’utilisation de la technologie piézoélectrique, mais aussi de diverses autres technologies clés dans les capteurs et les composants électroniques essentiels à toutes les grandes tendances économiques de la réindustrialisation, de l’électrification et de l’augmentation des dépenses de défense.

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Étude référencée

^{1. Ko, JY., Liu, WC.B., & Mercier, P.P. Un convertisseur DC‑DC hybride à résonateur piézoélectrique. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0}