شريحة مصممة لتحويل الفولتية العالية إلى مستويات أقل في الإلكترونيات – وهي عملية تُعرف باسم تحويل Dc-Dc التدريجي – بكفاءة أكبر باستخدام مرنان كهرضغطية. الائتمان: كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس

صمم المهندسون في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو شريحة جديدة يمكنها أن تجعل مراكز البيانات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من خلال تحسين كيفية توصيل الطاقة إلى وحدات معالجة الرسومات.

مع استمرار مراكز البيانات في استهلاك المزيد من الكهرباء، ابتكر المهندسون في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، تصميمًا جديدًا للرقائق يهدف إلى تحسين كيفية تعامل وحدات معالجة الرسومات (GPUs) مع الطاقة. يركز العمل على التحدي الأساسي في مجال الإلكترونيات: تحويل الفولتية العالية بكفاءة إلى المستويات الأقل بكثير التي تتطلبها أجهزة الكمبيوتر. وفي الاختبارات المعملية، قامت شريحة نموذجية بتنفيذ هذا النوع من التحويل بكفاءة عالية في ظل ظروف مشابهة لتلك المستخدمة في مراكز البيانات الحديثة.

البحث الذي نشر في اتصالات الطبيعةيمكن أن يدعم تطوير أنظمة حاسوبية أصغر وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

تظهر شريحة التحويل Dc-Dc الجديدة على بنس أمريكي للقياس. الائتمان: ديفيد بايلوت / كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس تحسين كيفية عمل محولات DC-DC Step-Down

ويعيد التصميم الجديد التفكير في مكون مستخدم على نطاق واسع يسمى محول DC-DC المتدرج، والذي يوجد في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا. تعمل هذه المحولات بمثابة حماية بين مصادر الطاقة والدوائر الحساسة، مما يخفض الجهد الكهربي الوارد إلى المستويات التي يحتاجها كل مكون للعمل بأمان.

في بيئات الحوسبة واسعة النطاق، يتم توزيع الكهرباء عادة عند 48 فولت. ومع ذلك، تتطلب وحدات معالجة الرسومات جهدًا كهربائيًا أقل بكثير، عادةً ما يتراوح بين 1 و5 فولت. أصبحت إدارة هذا الانخفاض الكبير بكفاءة أكثر صعوبة مع زيادة قوة الأنظمة وتصبح المساحة محدودة.

حدود تحويل الطاقة التقليدية

تواجه محولات التنحي التقليدية تحديات في الأداء عند التعامل مع الاختلافات الكبيرة بين جهد الإدخال والإخراج. تميل الكفاءة إلى الانخفاض، ويصبح من الصعب توفير تيار كافٍ. تعتمد معظم التصاميم الحالية على المكونات المغناطيسية مثل المحاثات. ورغم أن هذه المكونات قد تم تحسينها بمرور الوقت، إلا أنها تقترب من حدودها العملية وتصبح أكثر صعوبة في التوسع لتلبية الاحتياجات المستقبلية.

قال مؤلف الدراسة الرئيسي باتريك ميرسييه، الأستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس: “لقد أصبحنا جيدين جدًا في تصميم المحولات الحثية لدرجة أنه لم يعد هناك مجال كبير لتحسينها لتلبية الاحتياجات المستقبلية”.

مرنان كهرضغطية (قرص أبيض) تستخدمه الشريحة الجديدة لإجراء تحويل التنحي Dc-Dc. للمقارنة، يظهر على اليسار ملف حث يستخدم عادة في محولات خفض السرعة التقليدية. الائتمان: ديفيد بايلوت / كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس تقدم الرنانات الكهرضغطية نهجًا جديدًا

لاستكشاف البدائل، قام ميرسييه وفريقه، بما في ذلك المؤلف الأول جاي يونج كو، الحاصل على دكتوراه في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر. قام طالب في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بالتحقيق في استخدام الرنانات الكهرضغطية. تقوم هذه الأجهزة الصغيرة بتخزين الطاقة ونقلها من خلال الاهتزازات الميكانيكية بدلاً من المجالات المغناطيسية.

يمكن للمحولات المعتمدة على المكونات الكهرضغطية أن توفر العديد من المزايا، بما في ذلك الحجم الأصغر، وكثافة الطاقة الأعلى، والكفاءة المحسنة، وسهولة التصنيع على نطاق واسع. وقال ميرسييه: “لديهم مجال كبير للنمو ولديهم القدرة على تقديم أداء أفضل من أي شيء جاء قبلهم”.

ومع ذلك، كافحت الإصدارات السابقة من هذه المحولات للحفاظ على الكفاءة وتوفير الطاقة الكافية عند التعامل مع اختلافات الجهد الكبيرة.

تصميم الدوائر الهجينة يحقق كفاءة عالية

للتغلب على هذه التحديات، طور الباحثون تصميمًا هجينًا يجمع بين مرنان كهرضغطية ومكثفات صغيرة متاحة تجاريًا مرتبة في تكوين محدد. يمكّن هذا الأسلوب المحول من التعامل مع قطرات الجهد الأكبر بشكل أكثر فعالية.

تم دمج التصميم في شريحة النموذج الأولي واختباره في المختبر. لقد نجحت في تحويل 48 فولت إلى 4.8 فولت – وهو المستوى المطلوب عادة في مراكز البيانات – لتصل إلى ذروة الكفاءة بنسبة 96.2 بالمئة. كما قدمت الشريحة أيضًا تيارًا أكبر بأربعة أضعاف مقارنةً بالتصميمات السابقة المعتمدة على الكهرضغطية.

تم استخدام لوحة الدائرة المطبوعة لاختبار شريحة التحويل التنازلي Dc-Dc الجديدة، الموضحة في المنتصف، والمحاطة بالمكثفات. يتم تركيب الرنان الكهرضغطي أسفل لوحة الدائرة ويتم توصيله كهربائيًا بالرقاقة. الائتمان: ديفيد بايلوت / كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس الفوائد الرئيسية لتصميم الشريحة الجديدة

يوفر هذا الإعداد الهجين العديد من المزايا. إنه يخلق مسارات متعددة للطاقة للتحرك عبر الدائرة، ويقلل من الطاقة المهدرة، ويقلل الحمل على الرنان. تؤدي هذه التحسينات إلى كفاءة أعلى وتوصيل طاقة أقوى، مع زيادة الحجم الإجمالي للرقاقة بشكل طفيف فقط.

التحديات والتنمية المستقبلية

وعلى الرغم من أنها واعدة، إلا أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مراحلها الأولى. ويرى الباحثون أنها خطوة مهمة نحو معالجة القيود المفروضة على محولات الطاقة الحالية. وسيركز العمل المستقبلي على تنقية المواد، وتحسين أداء الدوائر، وتطوير طرق تعبئة أفضل.

أحد التحديات العملية هو أن الرنانات الكهرضغطية تهتز أثناء التشغيل، مما يعني أنه لا يمكن توصيلها بلوحات الدوائر باستخدام تقنيات اللحام القياسية. وأوضح ميرسييه أنه ستكون هناك حاجة إلى طرق تكامل جديدة لدمجها في الأنظمة الإلكترونية.

وأضاف مرسييه: “المحولات المعتمدة على الطاقة الكهرضغطية ليست جاهزة تمامًا لاستبدال تقنيات محولات الطاقة الحالية حتى الآن”. “لكنها توفر مسارًا للتحسين. نحن بحاجة إلى مواصلة التحسين في مجالات متعددة – المواد والدوائر والتغليف – لجعل هذه التكنولوجيا جاهزة لتطبيقات مراكز البيانات.”

تم دعم هذا المشروع جزئيًا من قبل مركز تكامل إدارة الطاقة (PMIC)، وهو مركز أبحاث تعاوني بين الصناعة والجامعة (IUCRC) تموله المؤسسة الوطنية للعلوم (الجائزة رقم 2052809).

المرجع: “محول DC-DC هجين يعتمد على الرنان الكهرضغطي” بقلم Jae-Young Ko وWen-Chin B. Liu وPatrick P. Mercier، 17 مارس 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-70494-0

تم دعم هذا المشروع جزئيًا من قبل مركز تكامل إدارة الطاقة (PMIC)، وهو مركز أبحاث تعاوني بين الصناعة والجامعة (IUCRC) تموله المؤسسة الوطنية للعلوم (الجائزة رقم 2052809).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.

إقرأ المزيد