コンピューティング
データセンターの効率を向上させる：より優れた電力変換チップで
大規模コンピューティングとAIデータセンターの急増に伴い、コンピューティングタスクのエネルギー消費は急上昇しており、エネルギー供給や送電容量の伸びよりもはるかに速く増加しています。これにより、導入可能なコンピューティング容量に厳しい上限が設定される可能性があり、新たなエネルギー源の構築は、AIチップやGPUの供給における以前のボトルネックよりもはるかに遅く、迅速に解決するのが困難です。
そのため、データセンターの効率向上は極めて重要です。重要なポイントの一つは、TPUやASICなどの、よりエネルギー効率の高い専用コンピューティングハードウェアへの切り替えです。
(このトピックについては「AIハードウェアへの投資：CPUからXPUへ」で詳しく読むことができます)。
別の可能性として、エネルギー供給自体の効率を改善することが挙げられます。ほとんどのデータセンターは高電圧電源で運用されており、送電ロスを最小限に抑え、データセンター全体が必要とする膨大なエネルギーを処理するのに役立っています。
しかし、コンピュータチップ自体ははるかに小さく壊れやすく、低電圧で動作します。そのため、電源を低電圧に変換する必要があり、これはあまり効率的な操作ではありません。
少なくとも現在まで、カリフォルニア大学の3人の研究者が、データセンターの電源とGPU/AIチップ間の急激な電圧降下に最適な新しい電圧低減手法を発見した可能性があります。彼らはその成果を権威ある学術誌 Nature Communications1 に掲載し、タイトルは「ハイブリッド圧電共振器ベースのDC-DCコンバータ」としています。
データセンターの電力変換の再構築
GPUへの電力供給方法
ほとんどの最新データセンターは ラック全体に48Vで電源を分配 しています。これは従来の12V標準よりもはるかに高い電圧です。この変更は、最新チップの電力需要の増大と、ラック内のスペース不足に起因しています。
48Vは単に効率が高く、120V ACの電力網からシリコンチップが使用できるDC電力へ変換する際に必要な電力変換部品の数を減らすことができます。
Source: AndCables
しかし、これにより新たな課題が生じます。従来のステップダウンコンバータは、入力と出力電圧の大きな差に対処する際にしばしば苦戦します。
「そのギャップが大きくなるほど、効率は低下し、十分な電流を供給することが難しくなります。」
パトリック・メルシエ – カリフォルニア大学サンディエゴ校 ジェイコブス工学部 教授。
そして、実際に計算を行うチップ自体は1〜5ボルトという低電圧で動作します。そのため、データセンターのラックに48V電源を供給することで、変換効率が低下してしまいます。
磁石から圧電コンバータへ
この問題を解決する上での障壁は、現在電圧を下げるために使用されている磁気誘導という手法が、かなり成熟した技術であり、長年にわたって設計・改良が重ねられてきたため、さらなる改善が難しくなっている点です。
「誘導コンバータの設計が非常に高度になりすぎて、将来のニーズに合わせて改善できる余地がほとんど残っていません。」
パトリック・メルシエ – カリフォルニア大学サンディエゴ校 ジェイコブス工学部 教授。
このため、研究者は別のアプローチとして圧電共振器を使用しました。これらの小型デバイスは磁場ではなく機械的振動を通じてエネルギーを蓄積・転送します。
全体として、圧電部品は磁気インダクタに比べてサイズが小さく、エネルギー密度が高く、効率が良く、量産しやすいと考えられています。
しかし、これまで圧電コンバータは大きな電圧差を扱い、効率を維持することに苦戦してきました。
圧電コンバータの改善
従来の圧電コンバータの課題を解決するため、研究者は圧電共振器と複数の小型市販コンデンサを組み合わせたハイブリッド設計を作成しました。
コンデンサは慎重に設計された配置で配置され、システムがより大きな電圧変換を効果的に処理できるようにしています。これによりエネルギーがシステム内を複数の経路で流れ、無駄な電力が削減され、共振器への負荷が軽減されます。
このプロトタイプは48Vを4.8Vに変換し、最高効率96.2％を達成しました。これは従来の圧電ベース設計に比べて出力電流が4倍になることを意味します。
出典: ScienceDaily
もちろん、これはあくまでプロトタイプであり、最終的な商用設計にはさらなる改良が必要です。具体的には、材料の精錬、回路設計の改善、より優れたパッケージング手法の開発が求められます。
もう一つ解決すべき課題は、圧電システムが振動するため、基板に直接はんだ付けできず、全体の電子チップを揺らしてしまう恐れがあることです。
「圧電ベースのコンバータはまだ既存の電力変換技術に取って代わる準備ができていませんが、改善の方向性は示しています。材料、回路、パッケージングの複数の領域で継続的に改良を進める必要があります。」
パトリック・メルシエ – カリフォルニア大学サンディエゴ校 ジェイコブス工学部 教授。
これは圧電技術の新たな応用の一例に過ぎず、例えば以下のような分野でも活用が進んでいます：
圧電技術への投資
CTS Corporation
(CTS )
圧電デバイス市場はすでに大規模で、2024年の売上は355億9,000万ドル、2030年までに年平均成長率7％で554億9,000万ドルに拡大すると予測されています。この分野のリーダーの一つがCTS Corporationで、産業（ヒートポンプ、ロボット位置決め、計測）、輸送、医療、航空宇宙・防衛など多くの業界向けにカスタムエンジニアリングソリューションを提供しています。
売上のほぼ半分を占める自動車セグメントが最大の市場ですが、近年は医療および航空宇宙セグメントが急速に成長しており、今後も伸びが期待されています。売上の60％は北米、22％はアジア、18％は欧州で行われています。
出典: CTS
同社は 1896年にシカゴ電話供給会社として設立され、後にCTSへと名称が短縮されました。
CTSは磁気および圧電物理を利用したニッチな用途向けのセンサーやエレクトロニクスを製造し、センサー、チップ、イメージング、レーダー、アクチュエータ、制御装置などに応用しています。
出典: CTS
同社の製品ラインナップは、オートメーションと電動化、そして医療分野におけるセンサーや低侵襲医療手技・診断のイノベーションから大きな恩恵を受ける位置にあります。
再工業化（リインダストリアリゼーション）も同社に利益をもたらすでしょう。新しいまたは改良された工場を通じて、同社のコンポーネントは産業用ロボット、プリンター、測定システムに組み込まれる見込みです。
最後に、軍事予算の増加からもCTSは恩恵を受ける可能性があります。同社のコンポーネントは水中ソナー、無人水中ビークル、弾薬、衛星などに使用されています。
このように、CTSは圧電技術の利用拡大だけでなく、再工業化、電動化、増大する防衛支出といった主要な経済トレンドに不可欠なセンサーや電子部品のさまざまな重要技術からも利益を得ることが期待される企業です。
最新 CTS Corporation (CTS) 株式ニュースと開発動向
参照研究
1. Ko, JY., Liu, WC.B., & Mercier, P.P. ハイブリッド圧電共振器ベースのDC-DCコンバータ. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0
