De efficiëntie van datacenters verhogen met betere vermogensomzettingschips

Met de explosie van luidruchtige computing en AI-datacenters stijgt het energieverbruik van rekentaken de pan uit, veel sneller dan de groei van de energievoorziening of transmissiecapaciteit. Dit zou een harde bovengrens kunnen stellen aan hoeveel extra rekencapaciteit kan worden geïnstalleerd, aangezien de bouw van nieuwe energiebronnen veel trager en moeilijker op te lossen is dan eerdere knelpunten in de levering van AI-chips en GPU’s.

Daarom is elke verbetering van de efficiëntie in datacenters belangrijk. Een belangrijk onderdeel zal het overstappen naar gespecialiseerde, energiezuinigere computerhardware zijn, zoals TPU’s, ASIC’s, enzovoort.

(U kunt meer over dit onderwerp lezen in “Investeren in AI-hardware: van CPU’s tot XPU’s”).

Een andere mogelijkheid is het verbeteren van de efficiëntie van de energievoorziening zelf. De meeste datacenters werken met een hoogspanningsvoedingsvoorziening, die transmissieverliezen minimaliseert en helpt de enorme hoeveelheid energie die het hele datacenter nodig heeft te verwerken.

Maar de computerchips zelf zijn veel kleiner en fragiel, en werken op lagere spanningen. Daarom moet de voedingsspanning worden omgezet naar een lagere spanning, wat geen zeer efficiënte bewerking is.

Tot nu toe, zoals drie onderzoekers van de University of California mogelijk hebben ontdekt, is er een nieuwe manier om spanning te verlagen die perfect zou zijn voor de steile spanningsval tussen de voedingsvoorziening van het datacenter en GPU’s/AI-chips. Ze publiceerden hun bevindingen in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications¹, onder de titel “A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter”.

Datacentra-voedingsomzetting opnieuw uitvinden

Hoe stroom wordt geleverd aan GPU’s

De meeste moderne datacenters werken met een voedingsvoorziening die over de rekken is verdeeld op 48V. Dit is veel hoger dan de eerder gebruikte standaard van 12V. Deze verandering werd gedreven door de groeiende vraag naar stroom van moderne chips en het gebrek aan ruimte in de rekken die ze herbergen.

48V is simpelweg efficiënter en vereist minder stroomomzettingscomponenten voor het omzetten van de 120V AC netvoeding naar DC-elektriciteit die bruikbaar is voor de siliciumchips.

Bron: AndCables

Dit creëert echter een nieuwe uitdaging. Conventionele step-down omzetters hebben vaak moeite met grote verschillen tussen in- en uitgangsspanning.

“Naarmate die kloof toeneemt, daalt de efficiëntie en wordt het moeilijker om voldoende stroom te leveren.” Patrick Mercier – professor aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

En de chips zelf, het onderdeel dat daadwerkelijk de berekeningen uitvoert, werken op lage spanningen, van 1 tot 5 volt. Dus de overstap naar een 48V-voeding voor de datacenterrekken zorgt ervoor dat de efficiëntie van de omzetting daalt.

Van magneten naar piëzo-elektrische omzetters

Een obstakel bij het oplossen van dit probleem is dat de huidige methode om spanning te verlagen, magnetische inductie, een vrij volwassen en goed begrepen technologie is. Naarmate deze componenten in de loop der jaren zijn ontworpen en verfijnd, wordt het steeds moeilijker om ze verder te verbeteren.

“We zijn zo goed geworden in het ontwerpen van inductieve omzetters dat er eigenlijk niet veel ruimte meer is om ze te verbeteren voor toekomstige behoeften.” Patrick Mercier – professor aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Daarom hebben de onderzoekers een andere benadering gekozen, door piëzo-elektrische resonatoren te gebruiken. Deze kleine apparaten slaan energie op en dragen deze over via mechanische trillingen in plaats van magnetische velden.

Over het algemeen zullen piëzo-elektrische componenten waarschijnlijk kleiner, energie-dichter, efficiënter en gemakkelijker op schaal te vervaardigen zijn dan magnetische inductoren.

Tot nu toe hebben piëzo-elektrische omzetters echter moeite gehad om grote spanningsverschillen aan te kunnen en de efficiëntie te behouden.

Verbeteren van piëzo-elektrische omzetters

Om het probleem van klassieke piëzo-elektrische omzetters op te lossen, hebben de onderzoekers een hybride ontwerp gecreëerd, waarbij een piëzo-elektrische resonator wordt gecombineerd met verschillende kleine, commercieel verkrijgbare condensatoren.

De condensatoren zijn gerangschikt in een zorgvuldig ontworpen configuratie die het systeem in staat stelt grotere spanningsomzettingen effectiever te verwerken. Dit creëert meerdere paden voor energie om door het systeem te bewegen, vermindert verspilde stroom en vermindert de belasting van de resonator.

Deze prototype heeft met succes 48 volt omgezet naar 4,8 volt met een piekefficiëntie van 96,2%. Dit vertegenwoordigt 4 keer meer uitgangsstroom dan eerdere op piëzo-elektriciteit gebaseerde ontwerpen.

Bron: ScienceDaily

Dit is uiteraard slechts een prototype, en een definitief commercieel ontwerp zal nog enige verbetering nodig hebben. Met name zal het nodig zijn om materialen te verfijnen, circuitontwerpen te verbeteren en betere verpakkingsmethoden te ontwikkelen.

Een ander probleem dat moet worden opgelost is dat het piëzo-elektrische systeem trilt, waardoor ze niet rechtstreeks op de printplaat kunnen worden gesoldeerd, anders zouden ze de gehele elektronische chip doen trillen.

“Piëzo-elektrische omzetters zijn nog niet helemaal klaar om bestaande vermogensomzettingstechnologieën te vervangen. Maar ze bieden een traject voor verbetering. We moeten blijven verbeteren op meerdere gebieden – materialen, circuits en verpakking – om deze technologie klaar te maken voor datacentertoepassingen.” Patrick Mercier – professor aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Dit zal slechts één zijn van de vele nieuwe toepassingen die opkomen voor piëzo-elektrische technologie, die bijvoorbeeld ook omvat:

• Nanomechanische resonatoren om atomaire spins te meten.
• Piëzo-elektrische polymeren om vrije energie te oogsten, een methode die piezo-elektrische composieten ook zouden kunnen gebruiken.
• Printplaten verkleinen met andere ontwerpen van piëzo-elektrische vermogensomzetters

Investeren in piëzo-elektrische technologie

De markt voor piëzo-elektrische apparaten is al groot, met $35,59 mrd aan omzet in 2024, naar verwachting groeiend met 7 % CAGR tot $55,49 mrd in 2030. Een van de leiders in deze sector is CTS Corporation (CTS ), een fabrikant van op maat gemaakte oplossingen voor vele industrieën, waaronder industrieel (warmtepomp, robotpositionering, metering), transport, medisch en lucht- en ruimtevaart & defensie.

Bij ver af is de automobielsector het grootste segment van het bedrijf, goed voor bijna de helft van de omzet. Dit is echter een afnemende afhankelijkheid, aangezien het medische en lucht- en ruimtevaarsegment de afgelopen jaren snel is gegroeid en naar verwachting zal blijven groeien. 60 % van de verkoop vindt plaats in Noord-Amerika, 22 % in Azië en 18 % in Europa.

Bron: CTS

Het bedrijf werd opgericht in 1896, aanvankelijk als de Chicago Telephone Supply Company, later afgekort tot CTS.

CTS produceert sensoren en elektronica voor nichetoepassingen, waarbij magnetische en piëzo-elektrische fysica worden gebruikt, en past ze toe in sensoren, chips, beeldvorming, radars, actuatoren, besturingen, enzovoort.

Bron: CTS

Het productassortiment van het bedrijf is goed gepositioneerd om te profiteren van automatisering en elektrificatie, evenals van innovatie in de gezondheidszorg voor sensoren en minder invasieve medische procedures en diagnostiek.

Reindustrialisatie zal het bedrijf ook ten goede komen, aangezien zijn componenten zullen worden aangetroffen in industriële robots, printers en meetsystemen via nieuwe of geüpdatete fabrieken.

Ten slotte kan CTS profiteren van groeiende militaire budgetten, aangezien zijn componenten worden gebruikt in onderwatersonars, onbemande onderwatervoertuigen, munitie en satellieten.

Dit maakt CTS niet alleen een bedrijf dat waarschijnlijk zal profiteren van de groeiende toepassing van piëzo-elektrische technologie, maar ook van diverse andere sleuteltechnologieën in sensoren en elektronische componenten die essentieel zijn voor alle belangrijke economische trends van reindustrialisatie, elektrificatie en groeiende defensie-uitgaven.

Laatste CTS Corporation (CTS) aandelennieuws en ontwikkelingen

Bestudeerde studie

^{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}