能源效率:半导体21世纪的挑战

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     全球能源需求量的增长率已经远远高于传统能源的供应,但是,半导体行业能够帮助改善能源生产、输送以及消耗环节的效率。 

    从远古时代开始,能源就已经成为文明进步的主要推动力。我们的祖先发现火能够使他们免于掠食者的伤害,温暖他们居住的山洞,烹调事物以及扩展居住范围。火是人类从石器时代向青铜时代过渡的关键因素,同样对于18世纪出现的工业革命以及现代社会都是至关重要的,人类通过蒸气机将热能转化成机械能。古代埃及人使用石油作为燃料,马可波罗将“黑石”(煤)从中国带回了欧洲。 

    人类对于石油驱动的交通工具以及煤炭驱动的电力工业的依赖已经很长时间了。例如:当前美国90%以上的能源消耗来自非可再生资源。尽管全球不断加强对于清洁和可再生资源的关注,仍然需要投入更多的研发力量才能使这种替代能源成为主流。科学技术对于提高当前能源利用效率,并将可替代能源从实验室转变到全球范围的应用起着关键性的作用。 

    全球能源面临的挑战 

    全球能源需求的增长比供给——我们通常所说的化石燃料——的提高要快得多。美国能源部门预测全球能源需求量将以40%的速度增长,到2030年达到700quadrillionBTU(1015英国 
    热量单位)。1这种需求的不断提高由很多因素决定,包括新兴国家的经济繁荣。例如:中国每年新增发电量为50~80GW,这几乎相当于英国全年的发电量。 

    能源需求量的增长对于经济、环境还有外交政策都提出了挑战。全球能源问题需要一个国际性的广泛的策略来寻求解决方案。这些努力来自政府以及不同行业的公司企业。学术界和研究所也发挥了重要的作用,这是因为我们所面临的这些挑战需要前所未有的新方法才能解决。由于我们所面临的挑战严峻且迫切,因此,需要协调各方面的努力,从而避免不必要的浪费。 

    策略主要着眼于:  

    提高可再生资源在发电领域的使用率。  
    通过优化电力网络改善电力输送的效率。  
    提高工厂、建筑、设备、计算机、汽车以及其它产品的效率,从而降低耗电量。 

    科学技术在上述各个领域中起到了核心作用,让我们能够“消耗更少的能源,做更多的事情”,这样人类便不会因为能源问题降低对美好生活的追求。最近几十年内,半导体芯片几乎成为所有领域创新背后的推动力。自1978以来,IC使汽车的效率提高了40%,民用飞机的效率提高了121%,照明领域提高了339%,而计算机系统更是提高了惊人的3,000,000%。2因此,与系统和服务供应商一起,半导体行业在全球能源问题方面能够起到非常重要的作用。 

    发电领域:提高可再生资源的使用 

    学术界、工业界以及政府都将焦点放到了可再生资源上。世界各地的研究人员都在针对如何利用太阳能、风能、生物能以及其它资源进行着研究。半导体技术对于推动这些可再生资源的利用,并使其成为主流,发挥着重要的作用。 

    所有的能源都要先需要先将能量转化为电能。例如:将太阳照射的光子转化为电流。显而易见,能量转化的效率越高,我们能够用于生产的能量便越多。芯片通常能够帮助提高这种转换效率。例如:使用先进的芯片技术能够使太阳能转换效率提高到20~40%。相比之下,目前实用的太阳能技术的转化效率仅为5%。 

    相对于化石燃料,可再生能源最大的挑战是缺乏成本优势。目前最佳的太阳能能源成本比煤炭能源成本高2~3倍。半导体技术能够帮助降低替代能源的制造成本——采用最新的技术,使半导体制造业能够继续遵循摩尔定律向前发展。对于纳米材料、纳米器件以及相关加工制造技术的研究对于促进替代燃料制造技术的进步起到了推动作用。目前太阳能技术同样是基于半导体技术中所用到的硅材料,并且目前高转化效率的太阳能电池与半导体芯片加工技术具有相似的形式。 

    一些热门的替代能源,例如:太阳能和风能,自身存在一定的可变性和不确定性——无法确切的作出预测,例如:在某一特定地点和时间,太阳光或者风的强度。而巧妙的半导体芯片和系统设计能够针对这种可变性建立模型进行处理,从而提前进行补偿,降低供电部门和最终用户的波动。
 
    降低电力输送环节的损耗 

    统计结果表明,发电量的三分之二消耗于电力输送环节。3从另一个角度来看,意味着如果我们能够控制输电环节的损耗,便可以在不消耗额外资源的情况下,获得双倍的电力供应。世界上绝大部分的输电网络都有几十年的历史了,有些甚至接近百年。对于多数国家而言,当务之急是将这些陈旧的电网升级为“智能电网”,而科技在这个过程中扮演了推动力的作用。 

    保证电力输送环节的可靠性和高效率是我们面对的一项重要挑战。仅美国一国,由于电力输送可靠性问题所带来的财产损失便高达2000亿美元每年。4主要的问题在于,工程师很难发现电网中隐藏的问题。这主要归咎于两个方面:第一,工程师迅速且精确发现问题的能力。第二,快速分析和计算从而获得解决方案的能力。而传感器和微处理器芯片配合优化后的系统和软件能够提供这两方面的能力。 

    并且,芯片和系统级别的优化需要确定,如何在现场传感器部分和中央控制部分之间分配计算处理能力。预计到2010年为止,美国全国电网只有不到一半的部分能够实现数字化,这意味着电力节省的空间还很大。终极目标是实现一种名为“自治愈网络”的输电系统,该系统能够诊断并修正自身存在的问题,通过复杂的片上集成系统(SoC)将感知、通讯、存储和计算等功能集成到一起。通过将现有供电网络升级到这种智能网络,可望每年节省1000亿美元的成本,节约能源达到千亿瓦。 

    将这种芯片驱动的智能网络集成到发电、输送以及消耗领域将会产生更加惊人的作用。例如:太阳能板在晴天工作,风力涡轮机在多风的天气情况下运转。随着这些替代能源在整体能源中所占比例的提高,能量存储对于夜间、多云或者无风天气下电力的供应变得至关重要。
 
    混合燃料型和电力驱动的汽车将成为未来的解决方案。当电力工艺处于峰值时,可以对车载电瓶进行充电——未来也可能使用氢燃料电池,而当这些可再生资源不足时,车载电瓶也能够反向的向输电网络供电。这种智能网络允许其用户,可能是商业用户、工厂或者居民,更好的平衡能源消耗的供应和需求。智能网络在能源 

    供应与消耗者之间实现了双向、实时的信息流,并且可以通过价格信号或者其它某种机制来调节能源消耗的行为。 

    提高能源利用的效率 

    为了确定节约能源的途径,首先要了解能源消耗的形势。图1所示为美国能源消耗形势图。尽管该图代表的是一个发达国家的情况,可能并不适用于全球,但是随着新兴经济体的发展和繁荣,未来全球能源消耗很可能会呈现出相似的情况。半数的能源的消耗来自工业和商业,交通运输略低于三分之一,剩余部分为民用消耗。  

    存在两种互补的因素来降低能源消耗。其中之一为改变个人对能源消耗的认识以及生活方式;更加自觉和谨慎地对待能源浪费——减少汽车的使用,随手关灯等等。第二是要降低最终产品的能源消耗。第一点为必要条件但不是充分条件,这是因为人们需要维持一定的生活质量,而这是以能源消耗为基础的。随着更多新兴经济体的涌现,更多的人将会购买电视机、电冰箱、洗衣机和汽车;因此能源消耗很可能会增加而不是降低——即使人们已经对能源浪费具备了谨慎和自觉的态度。因此,降低终端产品的能源消耗才是解决能源危机的关键。让我们根据图1逐一研究科学技术在各个领域对能源消耗的作用。 

    工业和商用 

    几乎一半的能源消耗来自工业和商业领域。半导体技术能够通过多种途径对其产生影响。最主要的一个影响是改进电动机的工作效率,这占到全球工业耗电量的三分之二。芯片能够使这些电动机工作在不同的速度之下,相对于匀速驱动,耗电量仅为八分之一。目前,仅有5%的电动机工作于不同的驱动速度,但是其所节省的电量已经相当于10座发电站的发电量。如果所有的电动机都能高效率的工作,我们将节省200座发电站的发电量。同样重要的是对环境的影响,5%的高效率电动机已经减少了6800万吨温室气体的排放。 

    数字化技术已经成为人们个人生活和工作的一部分。这些数字系统产生更高的电力需求。例如:2006年,位于美国的服务器和数据中心所消耗的电量接近610亿千瓦时,相当于2001年消耗量的两倍(图2)。如果我们现在不采取措施,未来5年内,数据中心的耗电量还将提高一倍。尽管如此,通过半导体芯片和系统设计方面的创新,我们能够将耗电量降低50%,尽管需求仍将加倍。半导体工业在降低能源消耗领域具有丰富的历史。例如,早期的计算机设备,例如:ENIAC,重量超过30吨,耗电量为200kW。手提设备已经可以提供相同的功能,而重量仅为几克,耗电量低于1W。  

 

    2006年,位于美国的服务器和数据中心耗电量相对于2001年将增加一倍,如果我们不采取相关措施,未来五年内耗电量还将提高一倍。随着技术的进步,我们能将耗电量减少50%,即使需求量还将增加一倍。  

    迈向智能能源的未来 

    未来40年内,半导体芯片将会催化一场重要的能源变革,涉及到发电、输送以及消耗领域。这场变革将会比20年前基于半导体芯片的互联网和无线通讯更加重要。半导体技术对于应对全球能源危机正在发挥着重要的作用,并且以一种对环境更为负责的态度平衡能源的需求和供应。半导体芯片持续发展将会进一步产生新的变革,例如:使替代能源,先进的智能电力网络以及电力驱动汽车成为可能,并得到普及。 

    快速采用先进技术来解决能源问题需要更多的研究经费以及对于环境学的研究,工业界、政府以及研究所之间技术的合作。我们需要采取全面的公共政策,包括对制造业和消费者进行税收和其它激励政策;联邦政府、州和地区政府使用高能源效率的产品;增加政府对基础研究的经费支持。如果我们激进的追求“智能能源”,我们将会像发明蒸汽机、内燃机那样产生一次历史性的变革。 
    全球的汽车消费者。  

    半导体技术在混合燃料和电力驱动汽车中起到了关键性的作用。除了普遍存在于汽车中的电子设备之外,混合燃料/电力驱动汽车还需要电压转换设备。通过功率IC来管理和控制这种电压转换,对于这系列芯片的研究对于混合燃料/电力驱动汽车至关重要。相对于传统汽油驱动的汽车,混合燃料/电力驱动汽车具有更高的燃烧效率,并且二氧化碳排放量降低了33%。随着科技的进步,将产生更进一步的性能改进。 

    芯片还能通过间接的方法减低交通领域的能源消耗——例如:远程办公。目前,越来越多的个体能够承受得起更加先进的计算和通讯设备的成本,因此,远程办公——一种在家通过网络与办公室或客户进行联系的工作方式——逐渐为越来越多的人所接受。目前,将近四百万的美国人通过远程办公的方式在家工作,每年可以节省840百万加仑的汽油。远程办公每年节省90~140亿千瓦时的电力,这相当于一百万户美国家庭一年的电力消耗量。并且,每年还减少温室气体排放量约1400万吨。 

    民用 

    最后,但绝不是不重要的,芯片开始对居民能源 

    消耗产生影响。尽管居民能源消耗仅占到整体能源消耗的22%,但却占到了美国电力消耗的三分之一,并且在全球范围内,由于消费者是商品和服务的主要用户,这个比例还将快速提升。 

    从2008年到2018年,美国家庭数量预计将增长11%,整体电力增长预计仅增长6%,这主要是由于照明用电所消耗的能源降低了21%,这是居民用电的一大组成部分。7半导体技术对于提升先进的照明技术起到了重要的作用,控制常规荧光灯泡和发光二极管(LED)。LED本身就是半导体技术。 

    当我们的设备处于关断状态时,半导体技术能够帮助降低待机功耗,这包括外部电源所产生的功耗,例如:用于为无线电话提供电力的变压器。由于待机功耗随时都会产生,并且我们很多先进设备都会产生待机功耗,因此,估计待机功耗将占到居民能源消耗的5~10%。 

    随着“智能建筑”的出现(图4),我们将逐渐感受到半导体技术所产生巨大影响。智能房屋从几年前的科幻小说变成了今天的现实,其主要有以下几个特点,例如:智能微处理器芯片控制房屋内的设备,给水系统,加热和空调系统。并且,普遍存在的传感器芯片既能够根据运动控制灯光照明,又能够保证居民的安全。智能房屋允许居民通过Internet联接的PC或者PDA来控制房间内大量的电子设备。  

    智能房屋还配备有基于芯片技术的“智能仪表”,其能够与智能电网实现信息交互。通过对能源需求进行管理、降低能源浪费,这种信息交互能够实现更佳的能源利用率——例如:鼓励在非用电高峰用电,这样既降低了用电高峰的负载,又降低了使用成本。在某些实际情况下,消费者可以在用电高峰期间关闭一部分设施,作为交换,供电部门将为其提供更低的使用费用。另外,单位千瓦时的用电费用可以随着时间改变,这样消费者可以选择在低费率的时段使用。如果智能房屋配备了诸如太阳能这样的替代能源,还可以在用电高峰期间向电网供电,这样便可以进一步的平衡供需关系。 

    迈向智能能源的未来 

    未来40年内,半导体芯片将会催化一场重要的能源变革,涉及到发电、输送以及消耗领域。这场变革将会比20年前基于半导体芯片的互联网和无线通讯更加重要。半导体技术对于应对全球能源危机正在发挥着重要的作用,并且以一种对环境更为负责的态度平衡能源的需求和供应。半导体芯片持续发展将会进一步产生新的变革,例如:使替代能源,先进的智能电力网络以及电力驱动汽车成为可能,并得到普及。 

    快速采用先进技术来解决能源问题需要更多的研究经费以及对于环境学的研究,工业界、政府以及研究所之间技术的合作。我们需要采取全面的公共政策,包括对制造业和消费者进行税收和其它激励政策;联邦政府、州和地区政府使用高能源效率的产品;增加政府对基础研究的经费支持。如果我们激进的追求“智能能源”,我们将会像发明蒸汽机、内燃机那样产生一次历史性的变革。

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