Un nuevo chip podría ayudar a los centros de datos a consumir menos energía

Para satisfacer la creciente demanda energética de los centros de datos, ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un nuevo chip que podría mejorar la forma en que las unidades de procesamiento gráfico (GPU) convierten y gestionan la energía. Esta tecnología demuestra una manera más eficiente de realizar una tarea fundamental en electrónica: convertir altos voltajes en niveles más bajos, necesarios para el hardware informático. En pruebas de laboratorio, un prototipo de chip realizó con alta eficiencia el tipo de conversión de voltaje que se utiliza en los centros de datos modernos.

Este avance, publicado en Nature Communications, podría conducir al desarrollo de sistemas más pequeños y energéticamente eficientes para la computación avanzada. Es decir, convertir a los centros de datos en sitios más eficientes energéticamente hablando.

El diseño del chip ofrece un nuevo enfoque para mejorar el rendimiento de un componente de circuito conocido como convertidor CC-CC reductor, presente en casi todos los dispositivos electrónicos. El convertidor reductor actúa como un puente de protección entre las fuentes de alimentación y los circuitos sensibles.

Transforma un alto voltaje de entrada en el voltaje más bajo que cada componente del circuito necesita con precisión para funcionar de forma segura. Por ejemplo, los centros de datos suelen distribuir energía a 48 voltios, mientras que los procesadores de las GPU requieren voltajes mucho más bajos, normalmente entre 1 y 5 voltios.

Sin embargo, la conversión entre estos niveles de manera eficiente y dentro de un espacio limitado se ha vuelto cada vez más difícil a medida que aumentan las exigencias informáticas.

Convertidores inductivos

Los convertidores reductores tradicionales, por ejemplo, pierden eficiencia y tienen dificultades para suministrar suficiente corriente cuando la diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida es grande. La mayoría de estos convertidores se basan en componentes magnéticos como los inductores, que, si bien son eficaces, se están acercando a sus límites de rendimiento físico y cada vez resulta más difícil escalarlos.

"Hemos perfeccionado tanto el diseño de convertidores inductivos que prácticamente no hay margen de mejora para satisfacer las necesidades futuras", afirmó Patrick Mercier, autor principal del estudio y profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UC San Diego.

El nuevo chip convertidor CC-CC reductor se muestra sobre una moneda de un centavo estadounidense para tener una referencia de tamaño.

Para abordar este desafío, Mercier y miembros de su grupo de investigación, entre ellos el primer autor del estudio, Jae-Young Ko, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en la UC San Diego, exploraron una alternativa prometedora: los resonadores piezoeléctricos, dispositivos diminutos que almacenan y transfieren energía mediante vibraciones mecánicas. Los convertidores piezoeléctricos podrían ser más pequeños, tener mayor densidad energética, ser más eficientes y más fáciles de fabricar a gran escala. "Tienen un gran potencial de crecimiento y podrían ofrecer un rendimiento superior al de cualquier tecnología anterior", afirmó Mercier.

Sin embargo, las primeras versiones de convertidores basados ​​en materiales piezoeléctricos han tenido dificultades para mantener la eficiencia y suministrar suficiente potencia al manejar grandes diferencias de voltaje.

En este estudio, el equipo desarrolló un convertidor reductor mejorado que combina un resonador piezoeléctrico con pequeños condensadores comerciales dispuestos estratégicamente. Este nuevo diseño de circuito permite que el convertidor gestione conversiones de voltaje mayores con mayor eficacia. El equipo implementó el diseño en un prototipo de chip. En las pruebas, convirtió 48 voltios a 4,8 voltios —un nivel comúnmente requerido en centros de datos— con una eficiencia máxima del 96,2 %. El chip también proporcionó aproximadamente cuatro veces más corriente de salida que los diseños anteriores basados ​​en piezoeléctricos.

Un resonador piezoeléctrico (disco blanco) utilizado por el nuevo chip para realizar la conversión CC-CC reductora. A modo de comparación, a la izquierda se muestra un inductor, comúnmente utilizado en convertidores reductores tradicionales.

Nuevas mejoras

Este diseño de circuito híbrido ofrece varias ventajas: crea múltiples vías para el flujo de energía, reduce el desperdicio de energía y disminuye la carga de trabajo del resonador. Como resultado, aumenta tanto la eficiencia como la potencia suministrada con un ligero incremento de tamaño.

Aunque la tecnología aún se encuentra en sus primeras etapas, los investigadores afirman que representa un paso importante para superar las limitaciones de los convertidores de potencia actuales. El trabajo futuro se centrará en mejorar los materiales, el diseño de los circuitos y el encapsulado. Dado que los resonadores piezoeléctricos vibran físicamente, no se pueden soldar a las placas de circuitos mediante métodos convencionales y requerirán estrategias diferentes para integrarlos en los sistemas electrónicos, explicó Mercier.

"Los convertidores piezoeléctricos aún no están listos para reemplazar las tecnologías de conversión de potencia existentes", añadió Mercier. "Pero ofrecen una vía de mejora. Necesitamos seguir mejorando en múltiples áreas —materiales, circuitos y encapsulado— para que esta tecnología esté lista para aplicaciones en centros de datos".