Öka datacenterns effektivitet med bättre strömomvandlingschips

Med boomet i högpresterande beräkningar och AI-datacenter ökar energiförbrukningen för beräkningsuppgifter kraftigt, och växer mycket snabbare än tillväxten i energiförsörjning eller överföringskapacitet. Detta kan sätta en hård övre gräns för hur mycket mer beräkningskapacitet som kan installeras, eftersom byggandet av nya energikällor går mycket långsammare och är svårare att snabbt lösa än tidigare flaskhalsar i leveransen av AI-chip och GPU:er.

Det är därför varje förbättring av effektiviteten i datacenter är viktig. En nyckeldel blir att byta till specialiserad, mer energieffektiv beräkningshårdvara, som TPU:er, ASIC:er och så vidare.

(Du kan läsa mer om detta ämne i “Investering i AI-hårdvara: Från CPU:er till XPU:er”).

En annan möjlighet är att förbättra effektiviteten i energiförsörjningen själv. De flesta datacenter använder en högspänningskraftförsörjning, vilket minimerar överföringsförluster och hjälper till att hantera den enorma mängden energi som hela datacentret behöver.

Men själva datorkretsarna är mycket mindre och sköra, och arbetar på lägre spänningar. Så kraftförsörjningen måste omvandlas till en lägre spänning, vilket inte är en särskilt effektiv operation.

Åtminstone fram till nu har tre forskare vid University of California kanske upptäckt ett nytt sätt att minska spänning som skulle vara perfekt för den branta spänningsfallet mellan datacentrets kraftförsörjning och GPU:er/AI-chip. De publicerade sina fynd i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Nature Communications¹, under titeln “A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter”.

Omdefiniera datacenterns strömomvandling

Hur ström levereras till GPU:er

De flesta moderna datacenter opererar med en kraftförsörjning distribuerad genom racken på 48V. Det är mycket högre än den tidigare använda standarden på 12V. Denna förändring drevs av den ökande efterfrågan på kraft från moderna kretsar och bristen på utrymme i racken som rymmer dem.

48V är helt enkelt mer effektivt och kräver färre strömomvandlingskomponenter för att omvandla 120V AC-nätförsörjning till DC-elektricitet som kan användas av kiselkretsarna.

Källa: AndCables

Detta skapar dock en ny utmaning. Konventionella steg-ned-omvandlare har ofta problem när de hanterar stora skillnader mellan in- och utspänning.

“När den klyftan ökar, sjunker effektiviteten och det blir svårare att leverera tillräckligt med ström.”
Patrick Mercier – Professor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Och själva kretsarna, den del som faktiskt utför beräkningarna, arbetar på låga spänningar, från 1 till 5 volt. Så övergången till en 48V-försörjning till datacenterrackarna får omvandlingens effektivitet att minska.

Från magneter till piezoelektriska omvandlare

Ett hinder i att lösa detta problem är att den nuvarande metoden för att minska spänning, magnetisk induktion, är en ganska mogen och väl förstådd teknik. Eftersom dessa komponenter har designats och förfinats under årens lopp blir de svårare att förbättra ytterligare.

“Vi har blivit så bra på att designa induktiva omvandlare att det egentligen inte finns mycket utrymme kvar för att förbättra dem för att möta framtida behov.”
Patrick Mercier – Professor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Det är därför forskarna tog ett annat tillvägagångssätt, genom att använda piezoelektriska resonatorer. Dessa små enheter lagrar och överför energi genom mekaniska vibrationer snarare än magnetiska fält.

Generellt sett är piezoelektriska komponenter sannolikt mindre, mer energitäta, mer effektiva och lättare att tillverka i skala än magnetiska induktorer.

Men fram till nu har piezoelektriska omvandlare haft svårt att hantera stora spänningsskillnader och behålla effektiviteten.

Förbättra piezoelektriska omvandlare

För att lösa problemet med klassiska piezoelektriska omvandlare skapade forskarna en hybriddesign som kombinerar en piezoelektrisk resonator med flera små, kommersiellt tillgängliga kondensatorer.

Kondensatorerna är arrangerade i en noggrant utformad konfiguration som möjliggör att systemet kan hantera större spänningsomvandlingar mer effektivt. Detta skapar flera vägar för energi att röra sig genom systemet, minskar spillad kraft och minskar belastningen på resonatorn.

Denna prototyp konverterade framgångsrikt 48 volt ner till 4,8 volt med en topp‑effektivitet på 96,2 %. Detta motsvarar fyra gånger mer uteffektström än tidigare piezoelektriska baserade designer.

Källa: ScienceDaily

Detta är naturligtvis bara en prototyp, och en slutgiltig kommersiell design kommer fortfarande att behöva vissa förbättringar. Speciellt kommer den att behöva förfina material, förbättra kretsdesigner och utveckla bättre förpackningsmetoder.

Ett annat problem att lösa är att det piezoelektriska systemet vibrerar, så de kan inte direkt lödas på kretskortet, för att undvika att de skakar hela den elektroniska kretsen.

“Piezoelektriska baserade omvandlare är ännu inte helt redo att ersätta befintliga strömomvandlingsteknologier. Men de erbjuder en utvecklingsbana. Vi måste fortsätta förbättra flera områden – material, kretsar och förpackning – för att göra denna teknik redo för datacenterapplikationer.”
Patrick Mercier – Professor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Detta kommer bara vara en av många nya tillämpningar som dyker upp för piezoelektrisk teknik, som till exempel också inkluderar:

• Nanomekaniska resonatorer för att mäta atomspinn.
• Piezoelektriska polymerer för att samla in fri energi, en metod som piezoelektriska kompositer också kan använda
• Krympning av kretskort med andra designer av piezoelektriska strömomvandlare

Investera i piezoelektrisk teknik

CTS Corporation

Marknaden för piezoelektriska enheter är redan stor, med 35,59  miljarder dollar i intäkter 2024, förväntas växa 7 % CAGR till 55,49  miljarder dollar år 2030. En av ledarna i denna sektor är CTS Corporation, en tillverkare av skräddarsydda lösningar för många industrier, inklusive industri (värmepump, robotpositionering, mätning), transport, medicin samt rymd- och försvar.

Den största sektorn för företaget är utan tvekan fordonssektorn, som står för nästan hälften av intäkterna. Detta är dock en minskande beroende, då den medicinska och rymdsektorn har vuxit snabbt de senaste åren och förväntas fortsätta göra det. 60 % av försäljningen sker i Nordamerika, 22 % i Asien och 18 % i Europa.

Källa: CTS

Företaget grundades 1896, ursprungligen som Chicago Telephone Supply Company, senare förkortat till CTS.

CTS producerar sensorer och elektronik för nischade tillämpningar, använder magnetisk och piezoelektrisk fysik, och tillämpar dem i sensorer, chip, avbildning, radar, aktuatorer, styrsystem osv.

Källa: CTS

Företagets produktutbud är väl positionerat för att dra nytta av automatisering och elektrifiering, samt hälsoinnovation för sensorer och mindre invasiva medicinska procedurer och diagnostik.

Reindustrialisering kommer också att gynna företaget, eftersom dess komponenter kommer att finnas i industriella robotar, skrivare och mätsystem genom nya eller uppdaterade fabriker.

Slutligen kan CTS dra nytta av ökande militära budgetar, eftersom dess komponenter finns i undervattenssonarer, obemannade undervattensfarkoster, ammunition och satelliter.

Detta gör CTS inte bara till ett företag som sannolikt kommer att gynnas av den ökande användningen av piezoelektrisk teknik, utan också av olika andra nyckelteknologier inom sensorer och elektroniska komponenter som är avgörande för alla de stora ekonomiska trenderna av reindustrialisering, elektrifiering och ökande försvarsutgifter.

Senaste CTS Corporation (CTS) Aktier Nyheter och Utveckling

Refererad 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}