Разработан чип, улучшающий процесс преобразования и управления питанием графических процессоров
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, может привести к разработке более компактных и энергоэффективных систем для высокопроизводительных вычислений.
Конструкция чипа предлагает новый подход к повышению производительности компонента схемы, известного как понижающий преобразователь постоянного тока, который используется практически во всей электронике. Понижающий преобразователь служит защитным барьером между источниками питания и чувствительными схемами. Он преобразует высокое входное напряжение в более низкое, необходимое для безопасной работы каждого компонента схемы. Например, в центрах обработки данных часто используется напряжение 48 вольт, в то время как процессорам в графических процессорах требуется гораздо более низкое напряжение, обычно от 1 до 5 вольт.
Однако по мере роста вычислительных мощностей эффективное преобразование между этими уровнями напряжения в условиях ограниченного пространства становится все более сложной задачей.
Например, традиционные понижающие преобразователи теряют эффективность и не могут выдавать достаточный ток при большом разрыве между входным и выходным напряжением. В большинстве понижающих преобразователей используются магнитные компоненты, такие как катушки индуктивности, которые, несмотря на свою эффективность, приближаются к пределу своих физических возможностей, и их дальнейшее масштабирование становится все более затруднительным.
Стремясь удовлетворить растущие потребности центров обработки данных в энергии, инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новую конструкцию чипа, которая может улучшить процесс преобразования и управления питанием графических процессоров (GPU). Эта технология демонстрирует более эффективный способ выполнения важнейшей задачи в электронике: преобразования высокого напряжения в более низкое, необходимое для вычислительного оборудования. В ходе лабораторных испытаний прототип чипа продемонстрировал высокую эффективность преобразования напряжения, используемого в современных центрах обработки данных.
Исследователи рассмотрели многообещающую альтернативу: пьезоэлектрические резонаторы, крошечные устройства, которые накапливают и передают энергию посредством механических колебаний. Преобразователи на основе пьезоэлектриков потенциально могут быть меньше по размеру, более энергоемкими, эффективными и простыми в массовом производстве.
Однако ранние версии преобразователей на основе пьезоэлектриков не могли обеспечить достаточную эффективность и мощность при работе с большими перепадами напряжения.
В ходе этого исследования команда разработала усовершенствованный понижающий преобразователь, в котором пьезоэлектрический резонатор сочетается с небольшими коммерчески доступными конденсаторами, расположенными в стратегически важных местах. Эта новая схема позволяет преобразователю более эффективно справляться с преобразованием больших значений напряжения. Команда реализовала эту схему в прототипе микросхемы. В ходе испытаний преобразователь снизил напряжение с 48 до 4,8 вольт — уровня, который обычно требуется в центрах обработки данных, — с пиковым КПД 96,2 %. Кроме того, чип выдавал примерно в четыре раза больший ток, чем предыдущие модели на основе пьезоэлементов.
У такой гибридной схемы есть несколько преимуществ: она создает несколько путей для подачи питания, снижает потери энергии и уменьшает нагрузку на резонатор. В результате повышается эффективность и мощность при незначительном увеличении размеров.
Несмотря на то, что технология все еще находится на ранней стадии развития, исследователи считают, что она представляет собой важный шаг на пути к преодолению ограничений современных силовых преобразователей.
Дальнейшая работа будет направлена на совершенствование материалов, схемотехники и корпуса. Поскольку пьезоэлектрические резонаторы физически вибрируют, их нельзя припаять к печатной плате с помощью традиционных методов, и для их интеграции в электронные системы потребуются другие подходы, пояснили исследователи.
Сообщение Разработан чип, улучшающий процесс преобразования и управления питанием графических процессоров появились сначала на Время электроники.