Aumentare l’Efficienza dei Data Center con Chip di Conversione di Energia Migliori

Con il boom del calcolo intensivo e dei data center AI, il consumo energetico delle attività di calcolo sta salendo alle stelle, crescendo molto più rapidamente della crescita dell’offerta di energia o della capacità di trasmissione. Questo potrebbe imporre un limite superiore rigido a quanta capacità di calcolo aggiuntiva può essere installata, poiché la costruzione di nuove fonti energetiche è molto più lenta e difficile da risolvere rapidamente rispetto ai precedenti colli di bottiglia nella fornitura di chip AI e GPU.

Per questo motivo qualsiasi miglioramento dell’efficienza nei data center è importante. Una parte fondamentale sarà il passaggio a hardware di calcolo specializzato e più efficiente dal punto di vista energetico, come TPU, ASIC e così via.

(Puoi leggere di più su questo argomento in “Investire nell’Hardware AI: Da CPU a XPU”).

Un’altra possibilità è migliorare l’efficienza dell’approvvigionamento energetico stesso. La maggior parte dei data center opera con un’alimentazione ad alta tensione, che minimizza le perdite di trasmissione e aiuta a gestire l’enorme quantità di energia di cui l’intero data center ha bisogno.

Ma i chip informatici stessi sono molto più piccoli e fragili, operando a tensioni più basse. Pertanto l’alimentazione deve essere convertita a una tensione inferiore, operazione che non è molto efficiente.

Almeno fino ad ora, tre ricercatori dell’Università della California potrebbero aver scoperto un nuovo modo di ridurre la tensione che sarebbe perfetto per la drastica caduta di tensione tra l’alimentazione del data center e le GPU/chip AI. Hanno pubblicato i loro risultati nella prestigiosa rivista scientifica Nature Communications¹, con il titolo “A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter”.

Rivoluzionare la Conversione di Energia nei Data Center

Come l’Energia Viene Fornita alle GPU

La maggior parte dei moderni data center opera con un’alimentazione distribuita nei rack a 48V. È molto più alta rispetto allo standard precedentemente usato di 12V. Questo cambiamento è stato guidato dalla crescente domanda di energia da parte dei chip moderni e dalla mancanza di spazio nei rack che li ospitano.

48V è semplicemente più efficiente e richiede meno componenti di conversione per trasformare l’alimentazione di rete AC a 120V in corrente continua utilizzabile dai chip di silicio.

Fonte: AndCables

Tuttavia, ciò crea una nuova sfida. I convertitori step-down convenzionali spesso faticano quando devono gestire grandi differenze tra tensione di ingresso e di uscita.

“Man mano che quel divario aumenta, l’efficienza diminuisce e diventa più difficile fornire corrente sufficiente.”

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

E i chip stessi, la parte che effettivamente esegue il calcolo, operano a tensioni basse, da 1 a 5 volt. Quindi, il passaggio a un’alimentazione a 48V per i rack del data center fa diminuire l’efficienza della conversione.

Dai Magneti ai Convertitori Piezoelettrici

Un ostacolo nella risoluzione di questo problema è che il metodo attuale usato per ridurre la tensione, l’induzione magnetica, è una tecnologia piuttosto matura e ben compresa. Poiché questi componenti sono stati progettati e perfezionati nel corso degli anni, stanno diventando più difficili da migliorare ulteriormente.

“Siamo diventati così bravi a progettare convertitori induttivi che non c’è più molto margine per migliorarli per soddisfare le esigenze future.”

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

Per questo motivo i ricercatori hanno adottato un approccio diverso, usando risonatori piezoelettrici. Questi piccoli dispositivi immagazzinano e trasferiscono energia attraverso vibrazioni meccaniche anziché campi magnetici.

Nel complesso, i componenti piezoelettrici probabilmente saranno più piccoli, più densi di energia, più efficienti e più facili da produrre su larga scala rispetto agli induttori magnetici.

Tuttavia, fino ad ora, i convertitori piezoelettrici hanno faticato a gestire grandi differenze di tensione e a mantenere l’efficienza.

Migliorare i Convertitori Piezoelettrici

Per risolvere il problema dei convertitori piezoelettrici classici, i ricercatori hanno creato un design ibrido, unendo un risonatore piezoelettrico con diversi piccoli condensatori commerciali.

I condensatori sono disposti in una configurazione attentamente progettata che consente al sistema di gestire conversioni di tensione più ampie in modo più efficace. Questo crea molteplici percorsi per l’energia all’interno del sistema, riduce la potenza sprecata e diminuisce lo sforzo sul risonatore.

Questo prototipo ha convertito con successo 48 volt in 4,8 volt con un’efficienza di picco del 96,2 %. Ciò rappresenta 4 volte più corrente in uscita rispetto ai precedenti design basati su piezoelettrico.

Fonte: ScienceDaily

Questo è, ovviamente, solo un prototipo, e un design commerciale finale avrà ancora bisogno di miglioramenti. In particolare, sarà necessario perfezionare i materiali, migliorare i progetti dei circuiti e sviluppare metodi di confezionamento migliori.

Un altro problema da risolvere è che il sistema piezoelettrico vibra, quindi non può essere saldato direttamente sul circuito stampato, altrimenti scuoterebbe l’intero chip elettronico.

“I convertitori basati su piezoelettrico non sono ancora pronti a sostituire le tecnologie di conversione di potenza esistenti. Tuttavia offrono una traiettoria di miglioramento. Dobbiamo continuare a migliorare in più aree – materiali, circuiti e confezionamento – per rendere questa tecnologia pronta per le applicazioni nei data center.”

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

Questo sarà solo uno tra i numerosi nuovi utilizzi emergenti per la tecnologia piezoelettrica, che, ad esempio, include anche:

• Risonatori nanomeccanici per misurare gli spin atomici.
• Polimeri piezoelettrici per raccogliere energia gratuita, un metodo che i compositi piezoelettrici potrebbero utilizzare allo stesso modo.
• Ridurre le schede circuitali con altri design di convertitori di energia piezoelettrici

Investire nella Tecnologia Piezoelettrica

CTS Corporation

Il mercato dei dispositivi piezoelettrici è già molto grande, con 35,59 Mrd $ di ricavi nel 2024, previsto in crescita del 7 % CAGR fino a 55,49 Mrd $ entro il 2030. Uno dei leader in questo settore è CTS Corporation, un produttore di soluzioni ingegnerizzate su misura per molte industrie, tra cui industriale (pompa di calore, posizionamento robotico, misurazione), trasporti, medico e aerospaziale & difesa.

Di gran lunga, il settore automobilistico è il segmento più grande dell’azienda, generando quasi la metà dei suoi ricavi. Tuttavia, questa dipendenza sta diminuendo, con il segmento medico e aerospaziale che è cresciuto rapidamente negli ultimi anni e si prevede continui progressi. Il 60 % delle vendite avviene in Nord America, il 22 % in Asia e il 18 % in Europa.

Fonte: CTS

L’azienda è stata fondata nel 1896, inizialmente come Chicago Telephone Supply Company, poi abbreviata in CTS.

CTS produce sensori ed elettronica per applicazioni di nicchia, utilizzando la fisica magnetica e piezoelettrica, e li applica in sensori, chip, imaging, radar, attuatori, controlli, ecc.

Fonte: CTS

Il portafoglio prodotti dell’azienda è ben posizionato per beneficiare dell’automazione e dell’elettrificazione, nonché dell’innovazione sanitaria per sensori e procedure mediche meno invasive e diagnostica.

La reindustrializzazione avvantaggerà anche l’azienda, poiché i suoi componenti saranno presenti in robot industriali, stampanti e sistemi di misurazione attraverso nuove o aggiornate fabbriche.

Infine, CTS potrebbe beneficiare dei crescenti budget militari, poiché i suoi componenti si trovano in sonar subacquei, veicoli subacquei senza pilota, munizioni e satelliti.

Ciò rende CTS non solo un’azienda probabile beneficiaria dell’ampliamento dell’uso della tecnologia piezoelettrica, ma anche di varie altre tecnologie chiave nei sensori e componenti elettronici essenziali in tutte le principali tendenze economiche di reindustrializzazione, elettrificazione e crescente spesa per la difesa.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di CTS Corporation (CTS)

Studio di Riferimento

^{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}