MỸ – Nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của các trung tâm dữ liệu, các kỹ sư tại đại học California San Diego (UCSD – university of California San Diego) đã phát triển một thiết kế chip mới giúp cải thiện cách thức các bộ xử lý đồ họa (GPU) chuyển đổi và quản lý điện năng.

Một con chip được thiết kế để chuyển đổi điện áp cao sang các mức thấp hơn trong thiết bị điện tử, một quy trình được gọi là chuyển đổi hạ áp DC-DC, với hiệu suất cao hơn nhờ sử dụng bộ cộng hưởng áp điện.

Công nghệ thiết kế chip mới với khả năng thực hiện nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực điện tử: chuyển đổi điện áp cao thành mức thấp hơn theo yêu cầu của phần cứng của máy tính. Tại phòng thí nghiệm, một chip nguyên mẫu đã thực hiện quá trình chuyển đổi điện áp thường thấy trong các trung tâm dữ liệu hiện đại với hiệu suất cao. Dự án nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications, có tiềm năng phát triển các hệ thống tính toán tiên tiến nhỏ gọn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Thiết kế chip mới mang đến một hướng tiếp cận giúp cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi hạ áp DC-DC (step-down converter) (*), một thành phần có mặt trong hầu hết các thiết bị điện tử. Bộ chuyển đổi hạ áp đóng vai trò như một “chiếc cầu bảo vệ” giữa nguồn điện và các mạch điện nhạy cảm. Nó biến đổi điện áp đầu vào cao thành điện áp thấp mà mỗi linh kiện trong mạch cần để hoạt động an toàn và chính xác. Ví dụ, các trung tâm dữ liệu thường phân phối điện ở mức 48V, trong khi các bộ vi xử lý trong bộ GPU lại cần mức điện áp thấp hơn, chỉ từ 1 đến 5V.
(*) Step-down converter: còn gọi là “buck converter”, là một thiết bị điện tử có chức năng giảm mức điện áp từ nguồn đầu vào (cao) xuống mức điện áp đầu ra (thấp) sao cho phù hợp với yêu cầu của thiết bị tiêu thụ.

Chip chuyển đổi DC-DC hạ áp mới được đặt trên đồng 1 xu của Mỹ

Tuy nhiên, việc chuyển đổi hiệu quả giữa các mức điện áp này trong không gian hạn chế đang trở nên ngày càng phức tạp khi nhu cầu tính toán tăng nhanh.

Các bộ chuyển đổi hạ áp truyền thống thường bị sụt giảm hiệu suất và gặp khó khăn trong việc cung cấp đủ dòng điện khi khoảng cách giữa điện áp đầu vào và đầu ra quá lớn. Hầu hết chúng dựa vào các thành phần từ tính như cuộn cảm; dù hiệu quả, nhưng các linh kiện này đang dần chạm tới giới hạn vật lý và rất khó để thu nhỏ thêm. Giáo sư Patrick Mercier tại khoa kỹ thuật điện và máy tính, thuộc đại học UCSD, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Các kỹ sư đã nghiên cứu và tối ưu hóa các bộ chuyển đổi cuộn cảm (inductive converters) (*) đến mức gần như hoàn hảo”.
(*) Inductive converters: là loại mạch điện sử dụng cuộn cảm làm thành phần chính để thay đổi mức điện áp (tăng lên hoặc hạ xuống). Đây là công nghệ đang chiếm ưu thế trong hầu hết các bộ nguồn máy tính, sạc điện thoại và trung tâm dữ liệu hiện nay.

Để giải quyết vấn đề này, Giáo sư Mercier cùng nhóm nghiên cứu, bao gồm tác giả chính Jae-Young Ko, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành kỹ thuật điện và máy tính tại đại học UCSD, đã khám phá một giải pháp thay thế: bộ cộng hưởng áp điện (piezoelectric resonators) (*). Đây là loại thiết bị siêu nhỏ có khả năng lưu trữ và truyền tải năng lượng thông qua các rung động cơ học. Các bộ chuyển đổi dựa trên công nghệ áp điện có tiềm năng trở nên nhỏ gọn hơn, mật độ năng lượng cao hơn, hiệu quả hơn và dễ dàng sản xuất hàng loạt. Giáo sư Mercier nhận định: “Hiệu suất của công nghệ này còn nhiều tiềm năng phát triển và có khả năng vượt trội hơn so với các giải pháp trước đây.”
(*) Piezoelectric resonator: Là một linh kiện điện tử sử dụng hiệu ứng áp điện để tạo ra các dao động điện học với tần số chính xác. Thay vì tích trữ năng lượng bằng từ trường như cuộn cảm truyền thống, bộ cộng hưởng áp điện chuyển đổi điện năng thành năng lượng cơ học (rung động) và ngược lại.

Tuy nhiên, các phiên bản đầu tiên của bộ chuyển đổi dựa trên áp điện thường gặp khó khăn trong việc duy trì hiệu suất và cung cấp đủ công suất khi xử lý các mức chênh lệch điện áp lớn.

Một bộ cộng hưởng áp điện (đĩa trắng, bên phải) được sử dụng cho chip mới, để thực hiện chuyển đổi hạ áp DC-DC. Bên trái là một cuộn cảm, thường được dùng trong các bộ chuyển đổi hạ áp truyền thống.

Trong nghiên cứu này, nhóm đã phát triển một bộ chuyển đổi hạ áp cải tiến, kết hợp bộ cộng hưởng áp điện với các tụ điện nhỏ có sẵn trên thị trường được sắp xếp theo một sơ đồ tối ưu hiệu suất. Thiết kế mạch mới cho phép bộ chuyển đổi xử lý các mức biến đổi điện áp lớn một cách hiệu quả hơn. Nhóm nghiên cứu đã hiện thực hóa thiết kế này trên một chip nguyên mẫu. Trong các thử nghiệm, chip đã chuyển đổi từ 48V xuống còn 4,8V, mức điện áp tiêu chuẩn trong các trung tâm dữ liệu, với hiệu suất cực đại đạt 96,2%. Chip này cũng cung cấp dòng điện đầu ra cao gần 4 lần so với các thiết kế dựa trên áp điện trước đó.

Thiết kế mạch hybrid này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội: tạo ra nhiều đường dẫn cho dòng điện, giảm năng lượng hao phí và giảm tải cho bộ cộng hưởng. Kết quả, nó giúp tăng cường cả hiệu suất lẫn khả năng cung cấp công suất mà kích thước tổng thể tăng thêm rất ít.

Mặc dù công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn sơ khai, các nhà nghiên cứu khẳng định đây là một bước tiến quan trọng để vượt qua những hạn chế của các bộ chuyển đổi điện năng hiện nay. Các công việc trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện vật liệu, thiết kế mạch và kỹ thuật đóng gói. Giáo sư Mercier giải thích thêm rằng vì bộ cộng hưởng áp điện hoạt động dựa trên rung động cơ học, chúng không thể được hàn lên bảng mạch theo cách thông thường mà sẽ cần các cách thức tích hợp chuyên biệt vào các hệ thống điện tử.

Bảng mạch in được sử dụng để thử nghiệm chip chuyển đổi hạ áp DC-DC mới, với chip nằm ở vị trí trung tâm và được bao quanh bởi các tụ điện. Bộ cộng hưởng áp điện được gắn bên dưới bảng mạch và kết nối điện trực tiếp với chip.

Giáo sư Mercier nói rằng: “Các bộ chuyển đổi dựa trên công nghệ chuyển đổi nguồn điện (power converter technologies) (*) hiện vẫn chưa hoàn toàn sẵn sàng để thay thế các công nghệ chuyển đổi năng lượng hiện có. Tuy nhiên, chúng mở ra một phương hướng cải tiến đầy triển vọng. Nhóm nghiên cứu cần tiếp tục tối ưu hóa trên nhiều phương diện, từ vật liệu, thiết kế mạch đến kỹ thuật đóng gói, để đưa công nghệ này sẵn sàng ứng dụng thực tế tại các trung tâm dữ liệu.”
(*) Power converter technologies: là một lĩnh vực trong kỹ thuật điện tử công suất, chuyên về việc thiết kế và chế tạo các thiết bị hay mạch điện có khả năng thay đổi các đặc tính của dòng điện (điện áp, cường độ, tần số, hoặc dạng sóng) để phù hợp với tải tiêu thụ.

Để xem các tin bài khác về “Thiết kế chip”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online