محول DC-DC هجيني قائم على رنان بيزوإلكتريك

تغذية السحابة بكفاءة أكبر

كل عملية بحث على الإنترنت أو بث فيديو أو استعلام ذكاء اصطناعي تستهلك طاقة من مراكز بيانات ضخمة مليئة بالخوادم. ومع ارتفاع الطلب، يضيع جزء متزايد من تلك الطاقة كحرارة مهدورة داخل الإلكترونيات التي تحول التيار العالي من الشبكة إلى الفولتية المنخفضة التي تستخدمها الشرائح فعليًا. تستعرض هذه الورقة نوعًا جديدًا من محولات الطاقة يستبدل المكونات المغناطيسية الضخمة ببلورات رقيقة مهتزة، بهدف ضغط مزيد من الطاقة القابلة للاستخدام في مساحة أصغر مع تقليل الخسائر—تقدّم قد يجعل مراكز البيانات المستقبلية أكثر كفاءة وتكثيفًا.

لماذا تصل وحدات الطاقة الحالية إلى حدٍّ مسدود

توزع مراكز البيانات الحديثة الطاقة بشكل متزايد عند حوالي 48 فولت لتقليل الطاقة المفقودة في الكابلات الطويلة، لكن الشرائح داخل الخوادم عادةً ما تحتاج إلى 5 فولت أو أقل. تحويل 48 فولت إلى بضعة فولت في خطوة واحدة صعب: تعتمد المحولات التقليدية على مكونات مغناطيسية (مثل المحاثات والمحولات) التي يتوقف حجمها وأداؤها عن التحسن عند قدرة وتردد عالٍ. ومع سعي المهندسين لأنظمة أصغر وأكثر كثافة، تصبح هذه المغناطيسات عنق زجاجة—فهي تشغل حجمًا، وتحد من قدرة التيار، وتزيد الخسائر، لا سيما عندما تكون نسبة تغيير الجهد، أو نسبة التحويل، كبيرة.

من الحلقات المغناطيسية إلى البلورات المهتزة

يركز المؤلفون على الرنانات البيزوإلكتريك—أقراص رقيقة من مادة خاصة تخزن وتحرك الطاقة بالاهتزاز الميكانيكي بدلًا من تكوين حقول مغناطيسية. يمكن صنع هذه المكونات مسطحة جدًا، وتصنيعها دفعة واحدة، وربما دمجها مباشرة على الرقائق. أظهر بحث سابق أن مثل هذه الرنانات يمكن أن تحل محل المغناطيسيات في بعض المحولات، لكن كان هناك عائقان رئيسيان. أولًا، انخفضت الكفاءة بشدة عند محاولة خفض الفولتية بعوامل كبيرة، لأن شحنة كبيرة تتأرجح داخل الرنان بدلاً من الوصول إلى الحمولة. ثانيًا، كان على الرنان نفسه أن يتحمل تقريبًا كل التيار، ما حد من كمية الطاقة التي يمكن للمحول أن يسلّمها بأمان قبل أن يصل الجهاز إلى حدوده الميكانيكية.

حيل جديدة: مكثفات مساعدة ومسارات متعددة

لمعالجة هذه القيود، يقدم الفريق فكرتين رئيسيتين ويدمجهما في دائرة واحدة. الأولى هي مخطّط "مكثف طائر مدمج"، حيث تجلس مكثفات مساعدة مُقاسة بعناية بجانب الرنان وتضبط مستويات الجهد التي يراها خلال دورة التبديل. يعيد هذا تشكيل نقطة التشغيل بحيث، بدلًا من أن يعمل الرنان بأفضل حال عند خفض بسيط بنسبة 2:1، يفضّل مرحلة الرنان طبيعيًا نسبة 3:1. عند هذه النقطة المثلى، يتم تسليم معظم الشحنة المتحركة إلى المخرج بدلاً من أن تتداول داخليًا، مما يقلل الطاقة المهدورة ويخفف من إجهاد الرنان.

تقاسم الحمولة كي لا يعمل أي عنصر بمفرده

الفكرة الثانية هي بنية "متعددة المسارات دائمًا" التي تقسّم طاقة الخرج على عدة مسارات موازية عبر مكثفات إضافية. بدلًا من إجبار كل التيار على المرور عبر البلورة المهتزة، ترتب الدائرة مكثفاتها بحيث تكون هناك دائمًا مسارات نشطة متعددة إلى الحمولة خلال مراحل نقل الطاقة. يخفض هذا ذروة تيار الرنان بأكثر من 80% مقارنة بالتصاميم السابقة، مما يخفف الإجهاد على الجهاز، ويساهم في تسوية جهد الخرج، ويقلل خسائر التوصيل في المفاتيح والأسلاك. معًا، تسمح المكثفات المدمجة وتصميم المسارات المتعددة للرنان بالعمل حيث يكون أقوى—التعامل مع جهد عالٍ لكن تيار معتدل—بينما تتحمل المكثفات الجزء الأكبر من العبء الثقيل.

من الفكرة إلى الرقاقة العاملة

بنى الباحثون تصميمهم كدائرة متكاملة في عملية تصنيع معيارية ودمجوه مع قرص بيزوإلكتريك متاح تجاريًا. في الاختبارات، خفض المحول 48 فولت إلى 4.8 فولت—أي خفض إجمالي بنسبة 10:1—فيما بلغ أعلى معدل كفاءة 96.2%. وبفضل مزيج مرحلة رنان 3:1 ومرحلة مكثف 3:1، تكون نسبة التحويل الإجمالية المثلى 9:1، ويمكن للدائرة أن تعمل بكفاءة حتى عند نسب أعلى. تتيح البنية متعددة المسارات تيار خرج يصل إلى 1 أمبير وتحقق كثافة تيار أعلى بعدة مرات مقارنة بالمحولات القائمة على البيزو السابقة التي استخدمت نفس نوع مادة الرنان.

ماذا يعني هذا لمراكز البيانات المستقبلية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن البلورات الرقيقة المهتزة، عند اقترانها بمكثفات مرتبة بذكاء، يمكن أن تنافس أو تتفوق على المكونات المغناطيسية التقليدية في خفض الفولتية العالية إلى مستويات مناسبة للشرائح. من خلال رفع كل من الكفاءة وقدرة التعامل مع التيار في شكل مضغوط، يقرّب المحول الهجين المقترح المجال من أنظمة طاقة تهدر طاقة أقل وتشغل مساحة أقل في رفوف الخوادم المزدحمة. وعلى الرغم من أن مزيدًا من التقدم في مواد الرنان والتحكم في حلقة مغلقة لا يزال مطلوبًا، فإن هذه الدراسة تقدم مسارًا ملموسًا نحو توصيل طاقة أنحف وأكثر برودة وكفاءة لبُنى السحابة والذكاء الاصطناعي التي ستتطلب طاقة أكبر غدًا.

الاستشهاد: Ko, JY., Liu, WC.B. & Mercier, P.P. A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter. Nat Commun 17, 4054 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0

الكلمات المفتاحية: تحويل طاقة مراكز البيانات, رنان بيزوإلكتريك, خفض الجهد العالي, كفاءة محول DC-DC, إلكترونيات الطاقة