데이터 센터가 증가하는 디지털 수요를 지원하기 위해 더 많은 에너지를 소비함에 따라 캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스의 엔지니어들은 그래픽 처리 장치(GPU) 구동을 더욱 효율적으로 만들 수 있는 새로운 칩 설계를 도입했습니다. 혁신은 전자 제품의 핵심 기능, 즉 고전압을 컴퓨팅 하드웨어에 필요한 낮은 수준으로 변환하는 데 중점을 둡니다. 실험실 테스트에서 프로토타입 칩은 현대 데이터 센터에서 볼 수 있는 것과 유사한 조건에서 높은 효율로 이러한 유형의 전압 변환을 성공적으로 수행했습니다.
연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈고급 컴퓨팅 환경에서 더 작고 에너지 효율적인 시스템의 가능성을 제시합니다.
현대 전자제품을 위한 DC-DC 컨버터에 대한 재고
새로운 설계의 중심에는 DC-DC 강압 컨버터로 알려진 널리 사용되는 부품의 향상된 버전이 있습니다. 이러한 변환기는 거의 모든 전자 장치에서 발견되며 전원과 민감한 회로 사이의 중요한 연결 역할을 합니다. 이들의 임무는 높은 유입 전압을 받아 안전한 작동에 필요한 정확한 수준으로 낮추는 것입니다.
데이터 센터에서 전기는 종종 48V로 분배되는 반면, GPU 프로세서는 일반적으로 훨씬 더 낮은 전압(보통 1~5V)을 필요로 합니다. 컴퓨팅 시스템이 더욱 강력해지고 컴팩트해짐에 따라 이러한 큰 전압 강하를 효율적으로 관리하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다.
기존 전력변환 기술의 한계
기존 강압 컨버터는 입력 전압과 출력 전압 간의 큰 차이를 처리할 때 종종 어려움을 겪습니다. 그 격차가 커지면 효율이 떨어지고 충분한 전류를 공급하기가 더 어려워집니다. 대부분의 기존 설계는 인덕터와 같은 자기 부품에 의존합니다. 이러한 구성 요소는 수년에 걸쳐 개선되었지만 실질적인 한계에 접근하고 있으며 더 이상 개선하기가 점점 더 어려워지고 있습니다.
UC San Diego Jacobs School of Engineering의 전기 및 컴퓨터 공학과 교수이자 연구 선임 저자인 Patrick Mercier는 “우리는 유도 변환기를 설계하는 데 너무 능숙해 미래의 요구 사항을 충족하기 위해 이를 개선할 여지가 별로 남아 있지 않습니다.”라고 말했습니다.
대안으로 압전 공진기 탐색
이러한 한계를 뛰어넘기 위해 Mercier와 전기 및 컴퓨터 공학 박사인 제1저자 고재영을 포함한 그의 팀은 UC San Diego의 한 학생은 압전 공진기를 사용하는 다른 접근 방식을 조사했습니다. 이러한 소형 장치는 자기장이 아닌 기계적 진동을 통해 에너지를 저장하고 전달합니다.
압전 부품을 기반으로 한 변환기는 여러 가지 장점을 제공할 수 있습니다. 그들은 더 작고, 더 에너지 밀도가 높으며, 더 효율적이며, 대규모로 제조하기가 더 쉬울 가능성이 있습니다. Mercier는 “그들은 성장할 여지가 많고 이전의 어떤 제품보다 더 나은 성능을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다”라고 말했습니다.
그러나 이전 버전의 압전 변환기는 큰 전압 차이를 처리할 때 효율성을 유지하고 충분한 전력을 전달하는 데 어려움을 겪었습니다.
하이브리드 설계로 고효율 및 출력 달성
이러한 문제를 극복하기 위해 연구진은 압전 공진기와 세심하게 설계된 구성으로 배열된 소형 상용 커패시터를 결합한 하이브리드 변환기를 만들었습니다. 이 설정을 통해 시스템은 더 큰 전압 변환을 보다 효과적으로 처리할 수 있습니다.
팀은 이 디자인을 프로토타입 칩에 통합하고 성능을 테스트했습니다. 이 장치는 96.2%의 최고 효율로 48V를 데이터 센터에서 일반적으로 요구되는 수준인 4.8V로 성공적으로 변환했습니다. 또한 이전 압전 기반 설계보다 약 4배 더 많은 출력 전류를 제공했습니다.
이 하이브리드 접근 방식은 여러 가지 이점을 제공합니다. 이는 시스템을 통해 에너지가 이동하는 여러 경로를 생성하고 낭비되는 전력을 줄이며 공진기에 대한 부담을 줄입니다. 이러한 개선 사항은 칩 크기를 약간만 늘리는 동시에 효율성과 전력 공급을 모두 향상시킵니다.
실제 사용을 위한 과제와 다음 단계
이 기술은 강력한 가능성을 보여주지만 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 연구진은 이를 현재 전력 변환 시스템의 제약을 극복하기 위한 중요한 단계로 보고 있습니다. 향후 노력은 재료 개선, 회로 설계 개선, 더 나은 패키징 방법 개발에 중점을 둘 것입니다.
한 가지 과제는 압전 공진기가 물리적으로 진동한다는 점입니다. 즉, 표준 납땜 기술을 사용하여 회로 기판에 부착할 수 없습니다. Mercier는 이를 전자 시스템에 통합하려면 새로운 통합 전략이 필요하다고 설명했습니다.
“압전 기반 변환기는 아직 기존 전력 변환기 기술을 대체할 준비가 되어 있지 않습니다.”라고 Mercier는 덧붙였습니다. “그러나 그들은 개선을 위한 궤적을 제공합니다. 우리는 이 기술을 데이터 센터 애플리케이션에 사용할 수 있도록 재료, 회로 및 패키징 등 여러 영역을 지속적으로 개선해야 합니다.”
이 프로젝트는 국립과학재단(수상 번호 2052809)이 자금을 지원하는 산학협력연구센터(IUCRC)인 전력관리통합센터(PMIC)의 일부 지원을 받았습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260409101103.htm
답글 남기기