מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתחו אבטיפוס לשבב חדש שנועד לשפר את הדרך שבה מועבר חשמל למעבדים גרפיים, GPUs, במרכזי נתונים. המחקר, שפורסם ב־Nature Communications, עוסק באחד האתגרים הבסיסיים של מערכות מחשוב מודרניות: כיצד להמיר ביעילות מתח חשמלי גבוה למתח נמוך בהרבה, הדרוש להפעלת רכיבי מחשוב רגישים.

מרכזי נתונים מודרניים צורכים כמויות הולכות וגדלות של חשמל, בעיקר בשל הביקוש למחשוב עתיר ביצועים ולבינה מלאכותית. ברוב המערכות האלה החשמל מופץ במתח של 48 וולט, אך המעבדים הגרפיים עצמם זקוקים בדרך כלל למתח נמוך בהרבה, בטווח של 1 עד 5 וולט. תהליך ההמרה הזה, המכונה DC-DC step-down conversion, חיוני כמעט בכל מערכת אלקטרונית, אך הוא נעשה מאתגר יותר ככל שהמערכות חזקות וצפופות יותר.

ממירי מתח מקובלים מבוססים בדרך כלל על רכיבים מגנטיים, בעיקר סלילים. במשך השנים שופרו רכיבים אלה מאוד, אך החוקרים מציינים כי הם מתקרבים למגבלות המעשיות שלהם. לפי פרופ' פטריק מרסייה, מהמחלקה להנדסת חשמל ומחשבים בבית הספר להנדסה ג'ייקובס באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, התכנון של ממירים אינדוקטיביים הגיע לרמה גבוהה כל כך עד שנותר מעט מקום לשיפור משמעותי לקראת צורכי הדורות הבאים.

הגישה החדשה מבוססת על מהודים פיאזואלקטריים. בניגוד לסלילים, המאחסנים ומעבירים אנרגיה באמצעות שדות מגנטיים, מהודים פיאזואלקטריים עושים זאת באמצעות תנודות מכניות. עקרונית, רכיבים כאלה עשויים להיות קטנים יותר, בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, יעילים יותר ומתאימים יותר לייצור בקנה מידה גדול. עם זאת, גרסאות קודמות של ממירים פיאזואלקטריים התקשו לשמור על יעילות גבוהה כאשר נדרש פער גדול בין מתח הכניסה למתח היציאה.

כדי להתמודד עם הקושי הזה, צוות המחקר פיתח תכנון היברידי. הוא משלב מהוד פיאזואלקטרי עם קבלים קטנים וזמינים מסחרית, המסודרים בתצורה ייחודית. הסידור הזה מאפשר למעגל להתמודד טוב יותר עם ירידת מתח גדולה, מפחית איבודי אנרגיה ומקטין את העומס על המהוד עצמו.

בניסוי המעבדה הצליח אבטיפוס השבב להמיר מתח של 48 וולט ל־4.8 וולט, רמה המקובלת במרכזי נתונים. יעילות השיא שנמדדה הייתה 96.2%. בנוסף, השבב סיפק זרם יציאה גבוה פי ארבעה בערך לעומת תכנונים פיאזואלקטריים קודמים. המשמעות היא שהטכנולוגיה אינה רק חסכונית יותר, אלא גם מתקרבת יותר ליכולת אספקת הספק הדרושה למערכות מחשוב מעשיות.

למרות התוצאות המבטיחות, החוקרים מדגישים כי מדובר עדיין בטכנולוגיה בשלבי פיתוח. ממירים פיאזואלקטריים אינם צפויים להחליף מיד את ממירי המתח הקיימים. יש צורך בשיפור נוסף של החומרים, המעגלים ושיטות האריזה. אחד האתגרים המעשיים הוא שהמהודים הפיאזואלקטריים רוטטים בזמן הפעולה, ולכן אי אפשר בהכרח לחבר אותם ללוחות מעגלים בשיטות הלחמה רגילות. שילובם במערכות אלקטרוניות יחייב שיטות אינטגרציה חדשות.

עם זאת, המחקר מצביע על כיוון אפשרי לשיפור יעילות האנרגיה של מרכזי נתונים. גם שיפור קטן בהמרת מתח יכול להיות משמעותי כאשר הוא מוכפל במיליוני רכיבים שפועלים ברציפות. בעידן שבו מעבדים גרפיים הפכו לתשתית מרכזית של בינה מלאכותית, כל חיסכון באנרגיה, חום ושטח עשוי להשפיע על עלויות התפעול ועל היכולת להרחיב מערכות מחשוב.

המחקר בוצע בידי ג'יי־יאנג קו, ון־צ'ין ב' ליו ופטריק פ' מרסייה, ופורסם ב־17 במרץ 2026 ב־Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-70494-0.

FAQ מהיר

מה עושה השבב החדש?
השבב ממיר מתח גבוה למתח נמוך יותר, הדרוש להפעלת רכיבים אלקטרוניים כמו מעבדים גרפיים במרכזי נתונים.

מה החידוש בטכנולוגיה?
במקום להסתמך בעיקר על סלילים מגנטיים, השבב משתמש במהוד פיאזואלקטרי ובקבלים קטנים כדי לבצע את המרת המתח ביעילות גבוהה.

האם השבב כבר מוכן לשימוש מסחרי?
לא. החוקרים מדגישים כי מדובר באבטיפוס מעבדתי. נדרשים עוד שיפורים בחומרים, במעגלים ובשיטות האריזה לפני שימוש במרכזי נתונים.

הפוסט שבב חדש עשוי לשפר את יעילות האנרגיה של מעבדים גרפיים במרכזי נתונים הופיע לראשונה ב-Chiportal.