Aumentando a Eficiência dos Data Centers com Chips de Conversão de Energia Mais Eficientes

Com o boom da computação intensiva e dos data centers de IA, o consumo de energia das tarefas de computação está disparando, crescendo muito mais rápido do que o aumento na oferta de energia ou na capacidade de transmissão. Isso pode impor um limite superior rígido à quantidade de capacidade computacional que pode ser instalada, já que a construção de novas fontes de energia é muito mais lenta e difícil de resolver rapidamente do que os gargalos anteriores no fornecimento de chips de IA e GPUs.

É por isso que qualquer melhoria na eficiência dos data centers é importante. Uma parte fundamental será a migração para hardware de computação especializado e mais eficiente energeticamente, como TPUs, ASICs, etc.

(Você pode ler mais sobre este tópico em “Investindo em Hardware de IA: De CPUs a XPUs”).

Outra possibilidade é melhorar a eficiência do próprio fornecimento de energia. A maioria dos data centers opera com um fornecimento de alta tensão, o que minimiza perdas de transmissão e ajuda a lidar com a enorme quantidade de energia que todo o data center necessita.

Mas os próprios chips de computador são muito menores e frágeis, operando em tensões mais baixas. Portanto, o fornecimento de energia precisa ser convertido para uma tensão menor, o que não é uma operação muito eficiente.

Até agora, três pesquisadores da Universidade da Califórnia podem ter descoberto uma nova forma de reduzir a tensão que seria perfeita para a queda acentuada de tensão entre o fornecimento de energia do data center e as GPUs/chips de IA. Eles publicaram suas descobertas na prestigiosa revista científica Nature Communications¹, sob o título “Um conversor DC-DC híbrido baseado em ressonador piezoelétrico”.

Reinventando a Conversão de Energia dos Data Centers

Como a Energia é Fornecida às GPUs

A maioria dos data centers modernos opera com um fornecimento de energia distribuído pelos racks a 48V. É muito mais alto que o padrão anteriormente usado de 12V. Essa mudança foi impulsionada pela crescente demanda de energia dos chips modernos e pela falta de espaço nos racks que os abrigam.

48V é simplesmente mais eficiente e requer menos componentes de conversão de energia para transformar o fornecimento da rede AC de 120V em eletricidade DC utilizável pelos chips de silício.

Fonte: AndCables

No entanto, isso cria um novo desafio. Conversores step-down convencionais frequentemente têm dificuldade ao lidar com grandes diferenças entre a tensão de entrada e a de saída.

“À medida que essa diferença aumenta, a eficiência diminui e torna-se mais difícil fornecer corrente suficiente.”
Patrick Mercier – Professor na UC San Diego Jacobs School of Engineering.

E os próprios chips, a parte que realmente realiza a computação, operam em tensões baixas, de 1 a 5 volts. Portanto, a mudança para um fornecimento de 48V nos racks do data center faz com que a eficiência da conversão diminua.

De Ímãs a Conversores Piezoelétricos

Um obstáculo na solução desse problema é que o método atual usado para reduzir a tensão, a indução magnética, é uma tecnologia bastante madura e bem compreendida. À medida que esses componentes foram projetados e refinados ao longo dos anos, torna-se cada vez mais difícil melhorá-los ainda mais.

“Nós nos tornamos tão bons em projetar conversores indutivos que realmente não há muito espaço restante para melhorá-los a fim de atender às necessidades futuras.”
Patrick Mercier – Professor na UC San Diego Jacobs School of Engineering.

É por isso que os pesquisadores adotaram uma abordagem diferente, usando ressonadores piezoelétricos. Esses pequenos dispositivos armazenam e transferem energia por meio de vibrações mecânicas em vez de campos magnéticos.

No geral, os componentes piezoelétricos provavelmente serão menores, com maior densidade de energia, mais eficientes e mais fáceis de fabricar em escala do que os indutores magnéticos.

No entanto, até agora, os conversores piezoelétricos têm dificuldade em lidar com grandes diferenças de tensão e manter a eficiência.

Melhorando Conversores Piezoelétricos

Para resolver o problema dos conversores piezoelétricos clássicos, os pesquisadores criaram um design híbrido, combinando um ressonador piezoelétrico com vários capacitores pequenos e comercialmente disponíveis.

Os capacitores são dispostos em uma configuração cuidadosamente projetada que permite ao sistema lidar com conversões de tensão maiores de forma mais eficaz. Isso cria múltiplos caminhos para a energia percorrer o sistema, reduz o desperdício de energia e diminui a carga sobre o ressonador.

Este protótipo converteu com sucesso 48 volts para 4,8 volts com uma eficiência máxima de 96,2%. Isso representa 4 vezes mais corrente de saída do que os designs anteriores baseados em piezoelétrico.

Fonte: ScienceDaily

Isso, claro, é apenas um protótipo, e um design comercial final ainda precisará de algumas melhorias. Notavelmente, será necessário refinar os materiais, melhorar os projetos de circuito e desenvolver métodos de embalagem melhores.

Outro problema a ser resolvido é que o sistema piezoelétrico vibra, portanto não pode ser soldado diretamente na placa de circuito, pois isso poderia sacudir todo o chip eletrônico.

“Os conversores baseados em piezoelétrico ainda não estão prontos para substituir as tecnologias de conversores de energia existentes. Mas eles oferecem uma trajetória de melhoria. Precisamos continuar a melhorar em várias áreas — materiais, circuitos e embalagens — para tornar essa tecnologia pronta para aplicações em data centers.”
Patrick Mercier – Professor na UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Esta será apenas uma entre muitas novas aplicações emergentes para a tecnologia piezoelétrica, que, por exemplo, também inclui:

• Ressonadores nanomecânicos para medir spins atômicos.
• Polímeros piezoelétricos para captar energia livre, um método que compósitos piezoelétricos poderiam usar também.
• Reduzindo placas de circuito com outros designs de conversores de energia piezoelétricos

Investindo em Tecnologia Piezoelétrica

CTS Corporation

O mercado de dispositivos piezoelétricos já é grande, com $35,59 bilhões em receitas em 2024, esperado crescer 7% CAGR para $55,49 bilhões até 2030. Um dos líderes desse setor é a CTS Corporation, fabricante de soluções customizadas para muitas indústrias, incluindo industrial (bomba de calor, posicionamento robótico, medição), transporte, médico e aeroespacial & defesa.

De longe, o setor automotivo é o maior segmento da empresa, representando quase metade de suas receitas. No entanto, essa dependência está diminuindo, com o segmento médico e aeroespacial tendo crescido rapidamente nos últimos anos e espera‑se que continue assim. 60% das vendas são realizadas na América do Norte, 22% na Ásia e 18% na Europa.

Fonte: CTS

A empresa foi fundada em 1896, inicialmente como Chicago Telephone Supply Company, posteriormente abreviada para CTS.

A CTS produz sensores e eletrônicos para aplicações de nicho, usando física magnética e piezoelétrica, aplicando-os em sensores, chips, imagens, radares, atuadores, controles, etc.

Fonte: CTS

O portfólio de produtos da empresa está bem posicionado para se beneficiar da automação e eletrificação, bem como da inovação em saúde para sensores e procedimentos médicos menos invasivos e diagnósticos.

A reindustrialização também beneficiará a empresa, pois seus componentes serão encontrados em robôs industriais, impressoras e sistemas de medição por meio de fábricas novas ou atualizadas.

Por fim, a CTS pode se beneficiar do aumento dos orçamentos militares, já que seus componentes são encontrados em sonares submarinos, veículos submarinos não tripulados, munições e satélites.

Isso faz da CTS não apenas uma empresa que provavelmente se beneficiará da crescente utilização da tecnologia piezoelétrica, mas também de várias outras tecnologias‑chave em sensores e componentes eletrônicos essenciais em todas as principais tendências econômicas de reindustrialização, eletrificação e aumento dos gastos de defesa.

Últimas CTS Corporation (CTS) Notícias e Desenvolvimentos de Ações

Estudo Referenciado

^{1. Ko, JY., Liu, WC.B., & Mercier, P.P. Um conversor DC-DC híbrido baseado em ressonador piezoelétrico. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0}