这款新芯片有望大幅提升GPU效率

加州大学圣地亚哥分校的工程师研发出一款新型芯片，通过优化向GPU的供电方式，有望大幅提升数据中心的能源利用效率。

随着数据中心耗电量持续攀升，加州大学圣地亚哥分校科研团队推出全新芯片设计，旨在优化图形处理器（GPU）的供电调控方式。该研究聚焦电子领域的一大基础难题：如何将高压电高效转换至计算硬件所需的低压等级。在实验室原型测试中，这款芯片在模拟现代数据中心的工况下，实现了高效率电压转换。该项研究成果发表于《自然・通讯》期刊，有望助力研发体积更小、能效更高的计算系统。

新型DC-DC降压转换芯片置于美分硬币上用以参照尺寸

革新DC-DC降压转换器工作机制

此次新设计重新改良了DC-DC降压转换器这一几乎所有电子设备都在使用的通用元器件。转换器相当于电源与精密电路之间的防护枢纽，可将输入电压降至各元器件安全工作所需的标准电压。

在大型算力设施中，供电通常采用48伏标准电压；而GPU所需电压远低于此，一般仅为1至5伏。随着设备性能不断提升、内部空间日趋紧凑，实现大压差下的高效电压转换变得愈发困难。

传统电源转换技术存在瓶颈

传统降压转换器在输入与输出电压差距较大时，会出现效率下降、输出电流供给不足等问题。现有多数设计依赖电感等磁性元器件，这类器件虽经过长期迭代优化，性能已逼近物理极限，难以满足未来技术的规模化升级需求。

加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院电气与计算机工程系教授、本研究通讯作者PatrickMercier表示：“电感式转换器的设计已趋于极致，很难再有大幅提升空间，无法适配未来的发展需求。”

新型芯片用于DC-DC降压转换的压电谐振器（白色圆盘）；左侧为传统降压转换器常用的电感，用作对比参照。

压电谐振器开辟全新技术路线

为寻找替代方案，Mercier带领团队研究采用压电谐振器的可行性。这类微型器件依靠机械振动实现能量存储与传输，而非传统的磁场原理。

基于压电元器件的转换器具备多重优势：体积更小、能量密度更高、转换效率更优，且更适合大规模量产。Mercier称：“该技术还有巨大的提升空间，性能有潜力超越以往所有传统方案。”

不过早期版本的压电转换器，在处理大压差工况时，始终难以兼顾转换效率与功率输出能力。

混合电路设计实现超高能效

为突破上述难题，研究团队研发出压电谐振器+商用微型电容组合的混合电路架构，通过特定布局排布电容，可更高效地处理大幅度电压压降。

团队将该设计集成为原型芯片并开展实验室测试，成功将48伏电压降至数据中心通用的4.8伏，峰值转换效率达96.2%；输出电流能力相较早期压电方案提升约三倍。

新型DC-DC降压转换芯片测试电路板，中央为芯片本体，周围排布电容；压电谐振器安装在电路板底部，与芯片电路连通。

全新芯片设计的核心优势

这种混合架构优势显著：可为电路提供多条电能传输路径，减少能量损耗，同时降低压电谐振器的负载压力。在仅小幅增加芯片整体体积的前提下，实现更高转换效率与更强供电能力。

现存挑战与未来研发方向

该技术目前仍处于早期研发阶段，但为突破传统电源转换器瓶颈迈出了关键一步。后续研究将聚焦材料优化、电路性能迭代以及封装工艺改良。

Mercier解释，实际应用中存在一大难题：压电谐振器工作时会产生振动，无法采用常规焊接工艺固定在电路板上，需要开发全新的集成封装方式。他补充道：“压电式转换器目前还无法直接替代现有供电方案，但具备清晰的升级潜力。我们需要从材料、电路、封装多维度持续优化，才能真正落地应用于数据中心场景。”