Les ingénieurs de l'UC San Diego ont conçu une nouvelle puce qui pourrait rendre les centres de données beaucoup plus économes en énergie en améliorant la manière dont l'énergie est fournie aux GPU.
Alors que les centres de données continuent de consommer de plus en plus d'électricité, les ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont créé une nouvelle conception de puce visant à améliorer la façon dont les unités de traitement graphique (GPU) gèrent l'énergie. Les travaux se concentrent sur un défi fondamental en électronique : convertir efficacement les hautes tensions en niveaux beaucoup plus faibles requis par le matériel informatique. Lors de tests en laboratoire, un prototype de puce a réalisé ce type de conversion avec une grande efficacité dans des conditions similaires à celles utilisées dans les centres de données modernes.
La recherche, publiée dansCommunications naturelles, pourrait soutenir le développement de systèmes informatiques plus petits et plus économes en énergie.
Améliorer le fonctionnement des convertisseurs abaisseurs DC-DC
La nouvelle conception repense un composant largement utilisé appelé convertisseur abaisseur DC-DC, présent dans presque tous les appareils électroniques. Ces convertisseurs servent de protection entre les alimentations et les circuits délicats, abaissant la tension entrante aux niveaux dont chaque composant a besoin pour fonctionner en toute sécurité.
Dans les environnements informatiques à grande échelle, l’électricité est généralement distribuée sous 48 volts. Cependant, les GPU nécessitent des tensions beaucoup plus faibles, généralement comprises entre 1 et 5 volts. Gérer efficacement cette importante baisse est devenu plus difficile à mesure que les systèmes deviennent plus puissants et que l'espace devient plus limité.
Limites de la conversion de puissance conventionnelle
Les convertisseurs abaisseurs traditionnels sont confrontés à des problèmes de performances lorsqu'ils gèrent de grandes différences entre la tension d'entrée et la tension de sortie. Le rendement a tendance à diminuer et il devient plus difficile de fournir suffisamment de courant. La plupart des conceptions existantes reposent sur des composants magnétiques tels que des inducteurs. Bien que ces composants aient été affinés au fil du temps, ils approchent de leurs limites pratiques et deviennent de plus en plus difficiles à adapter aux besoins futurs.
"Nous sommes devenus si bons dans la conception de convertisseurs inductifs qu'il ne reste plus beaucoup de place pour les améliorer pour répondre aux besoins futurs", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Patrick Mercier, professeur au département de génie électrique et informatique de la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego.
Les résonateurs piézoélectriques offrent une nouvelle approche
Pour explorer des alternatives, Mercier et son équipe, dont le premier auteur Jae-Young Ko, titulaire d'un doctorat en génie électrique et informatique. étudiant à l'UC San Diego, a étudié l'utilisation de résonateurs piézoélectriques. Ces petits appareils stockent et transfèrent l'énergie par le biais de vibrations mécaniques plutôt que de champs magnétiques.
Les convertisseurs basés sur des composants piézoélectriques pourraient offrir plusieurs avantages, notamment une taille plus petite, une densité énergétique plus élevée, une efficacité améliorée et une fabrication à grande échelle plus facile. «Ils ont beaucoup de marge de croissance et ont le potentiel d’offrir de meilleures performances que tout ce qui les a précédés», a déclaré Mercier.
Pourtant, les versions antérieures de ces convertisseurs avaient du mal à maintenir leur efficacité et à fournir suffisamment de puissance face à de grandes différences de tension.
La conception de circuits hybrides atteint un rendement élevé
Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé une conception hybride combinant un résonateur piézoélectrique avec de petits condensateurs disponibles dans le commerce disposés dans une configuration spécifique. Cette approche permet au convertisseur de gérer plus efficacement des chutes de tension plus importantes.
La conception a été intégrée dans un prototype de puce et testée en laboratoire. Il a réussi à convertir 48 volts en 4,8 volts – un niveau couramment requis dans les centres de données – pour atteindre une efficacité maximale de 96,2 %. La puce délivrait également environ quatre fois plus de courant de sortie que les conceptions piézoélectriques précédentes.
Principaux avantages de la nouvelle conception de puce
Cette configuration hybride offre plusieurs avantages. Il crée plusieurs voies permettant à l'énergie de circuler dans le circuit, réduit le gaspillage d'énergie et réduit la charge sur le résonateur. Ces améliorations conduisent à un rendement plus élevé et à une puissance délivrée plus forte, tout en n’augmentant que légèrement la taille globale de la puce.
Défis et développement futur
Bien que prometteuse, la technologie en est encore à ses débuts. Les chercheurs y voient une étape importante vers la résolution des limites des convertisseurs de puissance actuels. Les travaux futurs se concentreront sur le raffinage des matériaux, l’amélioration des performances des circuits et le développement de meilleures méthodes de conditionnement.
Un défi pratique réside dans le fait que les résonateurs piézoélectriques vibrent pendant leur fonctionnement, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être fixés aux circuits imprimés à l'aide de techniques de soudure standard. De nouvelles méthodes d'intégration seront nécessaires pour les intégrer aux systèmes électroniques, a expliqué Mercier.
« Les convertisseurs piézoélectriques ne sont pas encore tout à fait prêts à remplacer les technologies de conversion de puissance existantes », a ajouté Mercier. "Mais ils offrent une voie à suivre pour l'amélioration. Nous devons continuer à nous améliorer dans plusieurs domaines (matériaux, circuits et emballages) pour que cette technologie soit prête pour les applications des centres de données."
Ce projet a été soutenu en partie par le Power Management Integration Center (PMIC), un centre de recherche coopératif industrie-université (IUCRC) financé par la National Science Foundation (numéro de prix 2052809).
Référence : « A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter » par Jae-Young Ko, Wen-Chin B. Liu et Patrick P. Mercier, 17 mars 2026,Communications naturelles.
DOI : 10.1038/s41467-026-70494-0
Ce projet a été soutenu en partie par le Power Management Integration Center (PMIC), un centre de recherche coopératif industrie-université (IUCRC) financé par la National Science Foundation (numéro de prix 2052809).
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Les ingénieurs de l'UC San Diego ont conçu une nouvelle puce qui pourrait rendre les centres de données beaucoup plus économes en énergie en améliorant la manière dont l'énergie est fournie aux GPU.
Alors que les centres de données continuent de consommer de plus en plus d'électricité, les ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont créé une nouvelle conception de puce visant à améliorer la façon dont les unités de traitement graphique (GPU) gèrent l'énergie. Les travaux se concentrent sur un défi fondamental en électronique : convertir efficacement les hautes tensions en niveaux beaucoup plus faibles requis par le matériel informatique. Lors de tests en laboratoire, un prototype de puce a réalisé ce type de conversion avec une grande efficacité dans des conditions similaires à celles utilisées dans les centres de données modernes.
La recherche, publiée dansCommunications naturelles, pourrait soutenir le développement de systèmes informatiques plus petits et plus économes en énergie.
Améliorer le fonctionnement des convertisseurs abaisseurs DC-DC
La nouvelle conception repense un composant largement utilisé appelé convertisseur abaisseur DC-DC, présent dans presque tous les appareils électroniques. Ces convertisseurs servent de protection entre les alimentations et les circuits délicats, abaissant la tension entrante aux niveaux dont chaque composant a besoin pour fonctionner en toute sécurité.
Dans les environnements informatiques à grande échelle, l’électricité est généralement distribuée sous 48 volts. Cependant, les GPU nécessitent des tensions beaucoup plus faibles, généralement comprises entre 1 et 5 volts. Gérer efficacement cette importante baisse est devenu plus difficile à mesure que les systèmes deviennent plus puissants et que l'espace devient plus limité.
Limites de la conversion de puissance conventionnelle
Les convertisseurs abaisseurs traditionnels sont confrontés à des problèmes de performances lorsqu'ils gèrent de grandes différences entre la tension d'entrée et la tension de sortie. Le rendement a tendance à diminuer et il devient plus difficile de fournir suffisamment de courant. La plupart des conceptions existantes reposent sur des composants magnétiques tels que des inducteurs. Bien que ces composants aient été affinés au fil du temps, ils approchent de leurs limites pratiques et deviennent de plus en plus difficiles à adapter aux besoins futurs.
"Nous sommes devenus si bons dans la conception de convertisseurs inductifs qu'il ne reste plus beaucoup de place pour les améliorer pour répondre aux besoins futurs", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Patrick Mercier, professeur au département de génie électrique et informatique de la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego.
Les résonateurs piézoélectriques offrent une nouvelle approche
Pour explorer des alternatives, Mercier et son équipe, dont le premier auteur Jae-Young Ko, titulaire d'un doctorat en génie électrique et informatique. étudiant à l'UC San Diego, a étudié l'utilisation de résonateurs piézoélectriques. Ces petits appareils stockent et transfèrent l'énergie par le biais de vibrations mécaniques plutôt que de champs magnétiques.
Les convertisseurs basés sur des composants piézoélectriques pourraient offrir plusieurs avantages, notamment une taille plus petite, une densité énergétique plus élevée, une efficacité améliorée et une fabrication à grande échelle plus facile. «Ils ont beaucoup de marge de croissance et ont le potentiel d’offrir de meilleures performances que tout ce qui les a précédés», a déclaré Mercier.
Pourtant, les versions antérieures de ces convertisseurs avaient du mal à maintenir leur efficacité et à fournir suffisamment de puissance face à de grandes différences de tension.
La conception de circuits hybrides atteint un rendement élevé
Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé une conception hybride combinant un résonateur piézoélectrique avec de petits condensateurs disponibles dans le commerce disposés dans une configuration spécifique. Cette approche permet au convertisseur de gérer plus efficacement des chutes de tension plus importantes.
La conception a été intégrée dans un prototype de puce et testée en laboratoire. Il a réussi à convertir 48 volts en 4,8 volts – un niveau couramment requis dans les centres de données – pour atteindre une efficacité maximale de 96,2 %. La puce délivrait également environ quatre fois plus de courant de sortie que les conceptions piézoélectriques précédentes.
Principaux avantages de la nouvelle conception de puce
Cette configuration hybride offre plusieurs avantages. Il crée plusieurs voies permettant à l'énergie de circuler dans le circuit, réduit le gaspillage d'énergie et réduit la charge sur le résonateur. Ces améliorations conduisent à un rendement plus élevé et à une puissance délivrée plus forte, tout en n’augmentant que légèrement la taille globale de la puce.
Défis et développement futur
Bien que prometteuse, la technologie en est encore à ses débuts. Les chercheurs y voient une étape importante vers la résolution des limites des convertisseurs de puissance actuels. Les travaux futurs se concentreront sur le raffinage des matériaux, l’amélioration des performances des circuits et le développement de meilleures méthodes de conditionnement.
Un défi pratique réside dans le fait que les résonateurs piézoélectriques vibrent pendant leur fonctionnement, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être fixés aux circuits imprimés à l'aide de techniques de soudure standard. De nouvelles méthodes d'intégration seront nécessaires pour les intégrer aux systèmes électroniques, a expliqué Mercier.
« Les convertisseurs piézoélectriques ne sont pas encore tout à fait prêts à remplacer les technologies de conversion de puissance existantes », a ajouté Mercier. "Mais ils offrent une voie à suivre pour l'amélioration. Nous devons continuer à nous améliorer dans plusieurs domaines (matériaux, circuits et emballages) pour que cette technologie soit prête pour les applications des centres de données."
Ce projet a été soutenu en partie par le Power Management Integration Center (PMIC), un centre de recherche coopératif industrie-université (IUCRC) financé par la National Science Foundation (numéro de prix 2052809).
Référence : « A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter » par Jae-Young Ko, Wen-Chin B. Liu et Patrick P. Mercier, 17 mars 2026,Communications naturelles.
DOI : 10.1038/s41467-026-70494-0
Ce projet a été soutenu en partie par le Power Management Integration Center (PMIC), un centre de recherche coopératif industrie-université (IUCRC) financé par la National Science Foundation (numéro de prix 2052809).
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