Công nghệ này chứng minh một phương pháp hiệu quả hơn để thực hiện nhiệm vụ quan trọng trong điện tử: chuyển đổi điện áp cao xuống mức thấp hơn mà phần cứng máy tính cần. Trong thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, chip nguyên mẫu đã thực hiện quá trình chuyển đổi điện áp thường dùng trong trung tâm dữ liệu với hiệu suất cao.

Tiến bộ này, được công bố trên tạp chí Nature Communications, có thể mở đường cho các hệ thống tính toán tiên tiến nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Tư duy lại cách hoạt động của bộ chuyển đổi điện áp

Thiết kế chip mới mang đến cách tiếp cận khác để nâng cao hiệu suất của một thành phần mạch gọi là bộ chuyển đổi DC-DC step-down, vốn xuất hiện trong hầu hết thiết bị điện tử. Bộ chuyển đổi này đóng vai trò như cầu nối bảo vệ giữa nguồn điện và các mạch nhạy cảm, biến đổi điện áp đầu vào cao thành mức điện áp thấp hơn mà từng linh kiện cần để hoạt động an toàn. Ví dụ, trung tâm dữ liệu thường phân phối điện ở mức 48 volt, trong khi GPU chỉ cần điện áp từ 1 đến 5 volt.

Tuy nhiên, việc chuyển đổi hiệu quả trong không gian hạn chế ngày càng khó khăn khi nhu cầu tính toán tăng mạnh. Các bộ chuyển đổi truyền thống dựa vào linh kiện từ tính như cuộn cảm đang dần chạm tới giới hạn vật lý và khó mở rộng thêm.

Hướng tới cộng hưởng áp điện

Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu của giáo sư Patrick Mercier đã thử nghiệm một giải pháp đầy hứa hẹn: cộng hưởng áp điện – những thiết bị siêu nhỏ lưu trữ và truyền năng lượng thông qua dao động cơ học. Bộ chuyển đổi dựa trên áp điện có tiềm năng nhỏ gọn hơn, mật độ năng lượng cao hơn, hiệu quả hơn và dễ sản xuất hàng loạt.

Tuy vậy, các phiên bản ban đầu của công nghệ này gặp khó khăn trong việc duy trì hiệu suất và cung cấp đủ công suất khi xử lý sự chênh lệch điện áp lớn.

Thiết kế lai cho kết quả khả quan

Trong nghiên cứu, nhóm đã phát triển bộ chuyển đổi step-down cải tiến kết hợp cộng hưởng áp điện với các tụ điện thương mại nhỏ được sắp xếp chiến lược. Thiết kế này cho phép xử lý chuyển đổi điện áp lớn hiệu quả hơn. Chip nguyên mẫu đã chuyển đổi từ 48 volt xuống 4,8 volt – mức thường dùng trong trung tâm dữ liệu – với hiệu suất đạt đỉnh 96,2%, đồng thời cung cấp dòng điện gấp bốn lần so với các thiết kế áp điện trước đó.

Ưu điểm của thiết kế lai này là tạo nhiều đường dẫn cho dòng điện, giảm năng lượng thất thoát và giảm tải cho cộng hưởng áp điện. Nhờ đó, hiệu suất và khả năng cung cấp điện được cải thiện đáng kể mà chỉ cần tăng kích thước rất nhỏ.

Hướng tới ứng dụng thực tế

Dù công nghệ vẫn ở giai đoạn đầu, các nhà nghiên cứu cho rằng đây là bước tiến quan trọng để vượt qua giới hạn của bộ chuyển đổi hiện nay. Công việc tiếp theo sẽ tập trung vào cải thiện vật liệu, thiết kế mạch và đóng gói. Do cộng hưởng áp điện hoạt động bằng dao động cơ học, chúng không thể hàn trực tiếp lên bảng mạch như linh kiện truyền thống, nên cần chiến lược tích hợp khác.

“Các bộ chuyển đổi dựa trên áp điện chưa sẵn sàng thay thế công nghệ hiện tại, nhưng chúng mở ra một lộ trình cải tiến rõ ràng,” Mercier chia sẻ. “Chúng ta cần tiếp tục cải thiện ở nhiều khía cạnh – từ vật liệu, mạch cho đến đóng gói – để đưa công nghệ này vào ứng dụng trong trung tâm dữ liệu.”