À medida que os data centers consomem mais energia para suportar as crescentes demandas digitais, engenheiros da Universidade da Califórnia, em San Diego, revelaram um novo design de chip que pode tornar a alimentação de unidades de processamento gráfico (GPUs) mais eficiente. A inovação concentra-se em uma função fundamental na eletrônica: a conversão de altas tensões em níveis mais baixos necessários aos equipamentos de computação. Em testes de laboratório, o chip protótipo realizou com sucesso esse tipo de conversão de tensão com alta eficiência em condições semelhantes às encontradas nos data centers atuais.
Resultados publicados em Comunicações da naturezasugerem o potencial para sistemas menores e mais eficientes em termos energéticos em ambientes de computação avançados.
Repensando os conversores DC-DC para a eletrônica moderna
No centro do novo design está uma versão melhorada de um componente amplamente utilizado conhecido como conversor buck DC-DC. Esses conversores estão presentes em quase todos os dispositivos eletrônicos e servem como um elo crítico entre fontes de alimentação e circuitos sensíveis. Seu trabalho é pegar uma alta tensão de entrada e reduzi-la ao nível preciso necessário para uma operação segura.
Nos data centers, a eletricidade é frequentemente distribuída a 48 volts, enquanto as GPUs normalmente exigem tensões muito mais baixas, normalmente entre 1 e 5 volts. O gerenciamento eficaz dessa grande queda de tensão está se tornando cada vez mais difícil à medida que os sistemas de computação se tornam mais poderosos e compactos.
Limitações da tecnologia tradicional de conversão de energia
Os conversores buck convencionais geralmente apresentam problemas com uma grande diferença entre as tensões de entrada e saída. À medida que esta lacuna aumenta, a eficiência diminui e torna-se mais difícil fornecer corrente suficiente. A maioria dos projetos existentes depende de componentes magnéticos, como indutores. Embora estes componentes tenham melhorado ao longo dos anos, estão a aproximar-se dos seus limites práticos e tornam-se cada vez mais difíceis de melhorar.
“Ficamos tão bons no projeto de conversores indutivos que não resta muito espaço para melhorá-los para necessidades futuras”, disse o autor sênior do estudo, Patrick Mercier, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Jacobs School of Engineering da UC San Diego.
Explorando ressonadores piezoelétricos como alternativa
Para superar essas limitações, Mercier e sua equipe, incluindo o primeiro autor Jae-Young Ko, Ph.D. em engenharia elétrica e de computadores. estudante da Universidade da Califórnia, San Diego, explorou outra abordagem usando ressonadores piezoelétricos. Esses pequenos dispositivos armazenam e transmitem energia por meio de vibrações mecânicas, em vez de campos magnéticos.
Transdutores baseados em componentes piezoelétricos podem ter diversas vantagens. Eles têm potencial para serem menores, mais eficientes em termos energéticos, mais eficientes e mais fáceis de produzir em escala. “Eles têm muito espaço para crescer e potencial para oferecer um desempenho melhor do que qualquer coisa que veio antes deles”, disse Mercier.
No entanto, as versões anteriores de transdutores piezoelétricos tinham dificuldade em manter a eficiência e fornecer energia suficiente ao lidar com grandes quedas de tensão.
O design híbrido oferece alta eficiência e potência
Para superar esses problemas, os pesquisadores criaram um transdutor híbrido que combina um ressonador piezoelétrico com pequenos capacitores disponíveis comercialmente, dispostos em uma configuração cuidadosamente projetada. Essa configuração permite que o sistema lide com grandes mudanças de tensão com mais eficiência.
A equipe incorporou esse design em um protótipo de chip e testou seu desempenho. O dispositivo converteu com sucesso 48 volts em 4,8 volts – o nível normalmente exigido em data centers – com uma eficiência máxima de 96,2%. Ele também forneceu cerca de quatro vezes a corrente de saída dos projetos piezoelétricos anteriores.
Esta abordagem híbrida oferece diversas vantagens. Isso cria vários caminhos para a energia circular pelo sistema, reduzindo o desperdício de energia e reduzindo o estresse no ressonador. Juntas, essas melhorias melhoram a eficiência e o fornecimento de energia, mas aumentam apenas marginalmente o tamanho do chip.
Problemas e próximas etapas para uso no mundo real
Embora a tecnologia seja promissora, ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento. Os pesquisadores veem isso como um passo importante para superar as limitações dos atuais sistemas de conversão de energia. Os esforços futuros se concentrarão na melhoria dos materiais, na melhoria dos circuitos e no desenvolvimento de melhores métodos de embalagem.
Um problema é que os ressonadores piezoelétricos vibram fisicamente, o que significa que não podem ser fixados em placas de circuito impresso usando técnicas de soldagem padrão. Incorporá-los em sistemas eletrônicos exigirá novas estratégias de integração, explicou Mercier.
“Os transdutores piezoelétricos ainda não estão prontos para substituir as tecnologias existentes de transdutores de energia”, acrescentou Mercier. “Mas eles oferecem uma trajetória para melhorias. Precisamos continuar a melhorar diversas áreas – materiais, circuitos e embalagens – para tornar esta tecnologia pronta para uso em data centers”.
Este projeto foi apoiado em parte pelo Power Management Integration Center (PMIC), um Centro Conjunto de Pesquisa Indústria-Universidade (IUCRC) financiado pela National Science Foundation (prêmio número 2052809).
