全球能源需求量的增長率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)能源的供應(yīng)，但是，半導(dǎo)體行業(yè)能夠幫助改善能源生產(chǎn)、輸送以及消耗環(huán)節(jié)的效率。

從遠(yuǎn)古時代開始，能源就已經(jīng)成為文明進步的主要推動力。我們的祖先發(fā)現(xiàn)火能夠使他們免于掠食者的傷害，溫暖他們居住的山洞，烹調(diào)事物以及擴展居住范圍?；鹗侨祟悘氖鲿r代向青銅時代過渡的關(guān)鍵因素，同樣對于18世紀(jì)出現(xiàn)的工業(yè)革命以及現(xiàn)代社會都是至關(guān)重要的，人類通過蒸氣機將熱能轉(zhuǎn)化成機械能。古代埃及人使用石油作為燃料，馬可波羅將“黑石”(煤)從中國帶回了歐洲。

人類對于石油驅(qū)動的交通工具以及煤炭驅(qū)動的電力工業(yè)的依賴已經(jīng)很長時間了。例如：當(dāng)前美國90%以上的能源消耗來自非可再生資源。盡管全球不斷加強對于清潔和可再生資源的關(guān)注，仍然需要投入更多的研發(fā)力量才能使這種替代能源成為主流?？茖W(xué)技術(shù)對于提高當(dāng)前能源利用效率，并將可替代能源從實驗室轉(zhuǎn)變到全球范圍的應(yīng)用起著關(guān)鍵性的作用。

全球能源面臨的挑戰(zhàn)

全球能源需求的增長比供給——我們通常所說的化石燃料——的提高要快得多。美國能源部門預(yù)測全球能源需求量將以40%的速度增長，到2030年達到700quadrillionBTU(1015英國

熱量單位)。1這種需求的不斷提高由很多因素決定，包括新興國家的經(jīng)濟繁榮。例如：中國每年新增發(fā)電量為50~80GW，這幾乎相當(dāng)于英國全年的發(fā)電量。

能源需求量的增長對于經(jīng)濟、環(huán)境還有外交政策都提出了挑戰(zhàn)。全球能源問題需要一個國際性的廣泛的策略來尋求解決方案。這些努力來自政府以及不同行業(yè)的公司企業(yè)。學(xué)術(shù)界和研究所也發(fā)揮了重要的作用，這是因為我們所面臨的這些挑戰(zhàn)需要前所未有的新方法才能解決。由于我們所面臨的挑戰(zhàn)嚴(yán)峻且迫切，因此，需要協(xié)調(diào)各方面的努力，從而避免不必要的浪費。

策略主要著眼于：

•提高可再生資源在發(fā)電領(lǐng)域的使用率。

•通過優(yōu)化電力網(wǎng)絡(luò)改善電力輸送的效率。

•提高工廠、建筑、設(shè)備、計算機、汽車以及其它產(chǎn)品的效率，從而降低耗電量。

科學(xué)技術(shù)在上述各個領(lǐng)域中起到了核心作用，讓我們能夠“消耗更少的能源，做更多的事情”，這樣人類便不會因為能源問題降低對美好生活的追求。最近幾十年內(nèi)，半導(dǎo)體芯片幾乎成為所有領(lǐng)域創(chuàng)新背后的推動力。自1978以來，IC使汽車的效率提高了40%，民用飛機的效率提高了121%，照明領(lǐng)域提高了339%，而計算機系統(tǒng)更是提高了驚人的3,000,000%。2因此，與系統(tǒng)和服務(wù)供應(yīng)商一起，半導(dǎo)體行業(yè)在全球能源問題方面能夠起到非常重要的作用。

發(fā)電領(lǐng)域：提高可再生資源的使用

學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及政府都將焦點放到了可再生資源上。世界各地的研究人員都在針對如何利用太陽能、風(fēng)能、生物能以及其它資源進行著研究。半導(dǎo)體技術(shù)對于推動這些可再生資源的利用，并使其成為主流，發(fā)揮著重要的作用。

所有的能源都要先需要先將能量轉(zhuǎn)化為電能。例如：將太陽照射的光子轉(zhuǎn)化為電流。顯而易見，能量轉(zhuǎn)化的效率越高，我們能夠用于生產(chǎn)的能量便越多。芯片通常能夠幫助提高這種轉(zhuǎn)換效率。例如：使用先進的芯片技術(shù)能夠使太陽能轉(zhuǎn)換效率提高到20~40%。相比之下，目前實用的太陽能技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率僅為5%。

相對于化石燃料，可再生能源最大的挑戰(zhàn)是缺乏成本優(yōu)勢。目前最佳的太陽能能源成本比煤炭能源成本高2~3倍。半導(dǎo)體技術(shù)能夠幫助降低替代能源的制造成本——采用最新的技術(shù)，使半導(dǎo)體制造業(yè)能夠繼續(xù)遵循摩爾定律向前發(fā)展。對于納米材料、納米器件以及相關(guān)加工制造技術(shù)的研究對于促進替代燃料制造技術(shù)的進步起到了推動作用。目前太陽能技術(shù)同樣是基于半導(dǎo)體技術(shù)中所用到的硅材料，并且目前高轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池與半導(dǎo)體芯片加工技術(shù)具有相似的形式。

一些熱門的替代能源，例如：太陽能和風(fēng)能，自身存在一定的可變性和不確定性——無法確切的作出預(yù)測，例如：在某一特定地點和時間，太陽光或者風(fēng)的強度。而巧妙的半導(dǎo)體芯片和系統(tǒng)設(shè)計能夠針對這種可變性建立模型進行處理，從而提前進行補償，降低供電部門和最終用戶的波動。

降低電力輸送環(huán)節(jié)的損耗

統(tǒng)計結(jié)果表明，發(fā)電量的三分之二消耗于電力輸送環(huán)節(jié)。3從另一個角度來看，意味著如果我們能夠控制輸電環(huán)節(jié)的損耗，便可以在不消耗額外資源的情況下，獲得雙倍的電力供應(yīng)。世界上絕大部分的輸電網(wǎng)絡(luò)都有幾十年的歷史了，有些甚至接近百年。對于多數(shù)國家而言，當(dāng)務(wù)之急是將這些陳舊的電網(wǎng)升級為“智能電網(wǎng)”，而科技在這個過程中扮演了推動力的作用。

保證電力輸送環(huán)節(jié)的可靠性和高效率是我們面對的一項重要挑戰(zhàn)。僅美國一國，由于電力輸送可靠性問題所帶來的財產(chǎn)損失便高達2000億美元每年。4主要的問題在于，工程師很難發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中隱藏的問題。這主要歸咎于兩個方面：第一，工程師迅速且精確發(fā)現(xiàn)問題的能力。第二，快速分析和計算從而獲得解決方案的能力。而傳感器和微處理器芯片配合優(yōu)化后的系統(tǒng)和軟件能夠提供這兩方面的能力。

并且，芯片和系統(tǒng)級別的優(yōu)化需要確定，如何在現(xiàn)場傳感器部分和中央控制部分之間分配計算處理能力。預(yù)計到2010年為止，美國全國電網(wǎng)只有不到一半的部分能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，這意味著電力節(jié)省的空間還很大。終極目標(biāo)是實現(xiàn)一種名為“自治愈網(wǎng)絡(luò)”的輸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠診斷并修正自身存在的問題，通過復(fù)雜的片上集成系統(tǒng)(SoC)將感知、通訊、存儲和計算等功能集成到一起。通過將現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)升級到這種智能網(wǎng)絡(luò)，可望每年節(jié)省1000億美元的成本，節(jié)約能源達到千億瓦。

將這種芯片驅(qū)動的智能網(wǎng)絡(luò)集成到發(fā)電、輸送以及消耗領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生更加驚人的作用。例如：太陽能板在晴天工作，風(fēng)力渦輪機在多風(fēng)的天氣情況下運轉(zhuǎn)。隨著這些替代能源在整體能源中所占比例的提高，能量存儲對于夜間、多云或者無風(fēng)天氣下電力的供應(yīng)變得至關(guān)重要。

混合燃料型和電力驅(qū)動的汽車將成為未來的解決方案。當(dāng)電力工藝處于峰值時，可以對車載電瓶進行充電——未來也可能使用氫燃料電池，而當(dāng)這些可再生資源不足時，車載電瓶也能夠反向的向輸電網(wǎng)絡(luò)供電。這種智能網(wǎng)絡(luò)允許其用戶，可能是商業(yè)用戶、工廠或者居民，更好的平衡能源消耗的供應(yīng)和需求。智能網(wǎng)絡(luò)在能源[!--empirenews.page--]

供應(yīng)與消耗者之間實現(xiàn)了雙向、實時的信息流，并且可以通過價格信號或者其它某種機制來調(diào)節(jié)能源消耗的行為。

提高能源利用的效率

為了確定節(jié)約能源的途徑，首先要了解能源消耗的形勢。圖1所示為美國能源消耗形勢圖。盡管該圖代表的是一個發(fā)達國家的情況，可能并不適用于全球，但是隨著新興經(jīng)濟體的發(fā)展和繁榮，未來全球能源消耗很可能會呈現(xiàn)出相似的情況。半數(shù)的能源的消耗來自工業(yè)和商業(yè)，交通運輸略低于三分之一，剩余部分為民用消耗。

圖1.2008年美國能源消耗分布圖，半數(shù)的能源消耗來自工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。

存在兩種互補的因素來降低能源消耗。其中之一為改變個人對能源消耗的認(rèn)識以及生活方式;更加自覺和謹(jǐn)慎地對待能源浪費——減少汽車的使用，隨手關(guān)燈等等。第二是要降低最終產(chǎn)品的能源消耗。第一點為必要條件但不是充分條件，這是因為人們需要維持一定的生活質(zhì)量，而這是以能源消耗為基礎(chǔ)的。隨著更多新興經(jīng)濟體的涌現(xiàn)，更多的人將會購買電視機、電冰箱、洗衣機和汽車;因此能源消耗很可能會增加而不是降低——即使人們已經(jīng)對能源浪費具備了謹(jǐn)慎和自覺的態(tài)度。因此，降低終端產(chǎn)品的能源消耗才是解決能源危機的關(guān)鍵。讓我們根據(jù)圖1逐一研究科學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域?qū)δ茉聪牡淖饔谩?/p>

工業(yè)和商用

幾乎一半的能源消耗來自工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。半導(dǎo)體技術(shù)能夠通過多種途徑對其產(chǎn)生影響。最主要的一個影響是改進電動機的工作效率，這占到全球工業(yè)耗電量的三分之二。芯片能夠使這些電動機工作在不同的速度之下，相對于勻速驅(qū)動，耗電量僅為八分之一。目前，僅有5%的電動機工作于不同的驅(qū)動速度，但是其所節(jié)省的電量已經(jīng)相當(dāng)于10座發(fā)電站的發(fā)電量。如果所有的電動機都能高效率的工作，我們將節(jié)省200座發(fā)電站的發(fā)電量。同樣重要的是對環(huán)境的影響，5%的高效率電動機已經(jīng)減少了6800萬噸溫室氣體的排放。

數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)成為人們個人生活和工作的一部分。這些數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生更高的電力需求。例如：2006年，位于美國的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心所消耗的電量接近610億千瓦時，相當(dāng)于2001年消耗量的兩倍(圖2)。如果我們現(xiàn)在不采取措施，未來5年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的耗電量還將提高一倍。盡管如此，通過半導(dǎo)體芯片和系統(tǒng)設(shè)計方面的創(chuàng)新，我們能夠?qū)⒑碾娏拷档?0%，盡管需求仍將加倍。半導(dǎo)體工業(yè)在降低能源消耗領(lǐng)域具有豐富的歷史。例如，早期的計算機設(shè)備，例如：ENIAC，重量超過30噸，耗電量為200kW。手提設(shè)備已經(jīng)可以提供相同的功能，而重量僅為幾克，耗電量低于1W。

圖2.2006年，位于美國的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心耗電量相對于2001年將增加一倍，如果我們不采取相關(guān)措施，未來五年內(nèi)耗電量還將提高一倍。隨著技術(shù)的進步，我們能將耗電量減少50%，即使需求量還將增加一倍。

邁向智能能源的未來

未來40年內(nèi)，半導(dǎo)體芯片將會催化一場重要的能源變革，涉及到發(fā)電、輸送以及消耗領(lǐng)域。這場變革將會比20年前基于半導(dǎo)體芯片的互聯(lián)網(wǎng)和無線通訊更加重要。半導(dǎo)體技術(shù)對于應(yīng)對全球能源危機正在發(fā)揮著重要的作用，并且以一種對環(huán)境更為負(fù)責(zé)的態(tài)度平衡能源的需求和供應(yīng)。半導(dǎo)體芯片持續(xù)發(fā)展將會進一步產(chǎn)生新的變革，例如：使替代能源，先進的智能電力網(wǎng)絡(luò)以及電力驅(qū)動汽車成為可能，并得到普及。

快速采用先進技術(shù)來解決能源問題需要更多的研究經(jīng)費以及對于環(huán)境學(xué)的研究，工業(yè)界、政府以及研究所之間技術(shù)的合作。我們需要采取全面的公共政策，包括對制造業(yè)和消費者進行稅收和其它激勵政策;聯(lián)邦政府、州和地區(qū)政府使用高能源效率的產(chǎn)品;增加政府對基礎(chǔ)研究的經(jīng)費支持。如果我們激進的追求“智能能源”，我們將會像發(fā)明蒸汽機、內(nèi)燃機那樣產(chǎn)生一次歷史性的變革。

全球的汽車消費者。

圖3.高檔轎車配備了大量電子器件，可以讓駕駛更加安全、經(jīng)濟并且舒適。

半導(dǎo)體技術(shù)在混合燃料和電力驅(qū)動汽車中起到了關(guān)鍵性的作用。除了普遍存在于汽車中的電子設(shè)備之外，混合燃料/電力驅(qū)動汽車還需要電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備。通過功率IC來管理和控制這種電壓轉(zhuǎn)換，對于這系列芯片的研究對于混合燃料/電力驅(qū)動汽車至關(guān)重要。相對于傳統(tǒng)汽油驅(qū)動的汽車，混合燃料/電力驅(qū)動汽車具有更高的燃燒效率，并且二氧化碳排放量降低了33%。隨著科技的進步，將產(chǎn)生更進一步的性能改進。

芯片還能通過間接的方法減低交通領(lǐng)域的能源消耗——例如：遠(yuǎn)程辦公。目前，越來越多的個體能夠承受得起更加先進的計算和通訊設(shè)備的成本，因此，遠(yuǎn)程辦公——一種在家通過網(wǎng)絡(luò)與辦公室或客戶進行聯(lián)系的工作方式——逐漸為越來越多的人所接受。目前，將近四百萬的美國人通過遠(yuǎn)程辦公的方式在家工作，每年可以節(jié)省840百萬加侖的汽油。遠(yuǎn)程辦公每年節(jié)省90～140億千瓦時的電力，這相當(dāng)于一百萬戶美國家庭一年的電力消耗量。并且，每年還減少溫室氣體排放量約1400萬噸。

民用

最后，但絕不是不重要的，芯片開始對居民能源

消耗產(chǎn)生影響。盡管居民能源消耗僅占到整體能源消耗的22%，但卻占到了美國電力消耗的三分之一，并且在全球范圍內(nèi)，由于消費者是商品和服務(wù)的主要用戶，這個比例還將快速提升。

從2008年到2018年，美國家庭數(shù)量預(yù)計將增長11%，整體電力增長預(yù)計僅增長6%，這主要是由于照明用電所消耗的能源降低了21%，這是居民用電的一大組成部分。7半導(dǎo)體技術(shù)對于提升先進的照明技術(shù)起到了重要的作用，控制常規(guī)熒光燈泡和發(fā)光二極管(LED)。LED本身就是[!--empirenews.page--]半導(dǎo)體技術(shù)。

當(dāng)我們的設(shè)備處于關(guān)斷狀態(tài)時，半導(dǎo)體技術(shù)能夠幫助降低待機功耗，這包括外部電源所產(chǎn)生的功耗，例如：用于為無線電話提供電力的變壓器。由于待機功耗隨時都會產(chǎn)生，并且我們很多先進設(shè)備都會產(chǎn)生待機功耗，因此，估計待機功耗將占到居民能源消耗的5～10%。

隨著“智能建筑”的出現(xiàn)(圖4)，我們將逐漸感受到半導(dǎo)體技術(shù)所產(chǎn)生巨大影響。智能房屋從幾年前的科幻小說變成了今天的現(xiàn)實，其主要有以下幾個特點，例如：智能微處理器芯片控制房屋內(nèi)的設(shè)備，給水系統(tǒng)，加熱和空調(diào)系統(tǒng)。并且，普遍存在的傳感器芯片既能夠根據(jù)運動控制燈光照明，又能夠保證居民的安全。智能房屋允許居民通過Internet聯(lián)接的PC或者PDA來控制房間內(nèi)大量的電子設(shè)備。

圖4.智能房屋具有以下一些特點，例如：通過智能芯片控制房間內(nèi)的家用電器、給水系統(tǒng)、加熱以及空調(diào)系統(tǒng)。

智能房屋還配備有基于芯片技術(shù)的“智能儀表”，其能夠與智能電網(wǎng)實現(xiàn)信息交互。通過對能源需求進行管理、降低能源浪費，這種信息交互能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的能源利用率——例如：鼓勵在非用電高峰用電，這樣既降低了用電高峰的負(fù)載，又降低了使用成本。在某些實際情況下，消費者可以在用電高峰期間關(guān)閉一部分設(shè)施，作為交換，供電部門將為其提供更低的使用費用。另外，單位千瓦時的用電費用可以隨著時間改變，這樣消費者可以選擇在低費率的時段使用。如果智能房屋配備了諸如太陽能這樣的替代能源，還可以在用電高峰期間向電網(wǎng)供電，這樣便可以進一步的平衡供需關(guān)系。

邁向智能能源的未來

未來40年內(nèi)，半導(dǎo)體芯片將會催化一場重要的能源變革，涉及到發(fā)電、輸送以及消耗領(lǐng)域。這場變革將會比20年前基于半導(dǎo)體芯片的互聯(lián)網(wǎng)和無線通訊更加重要。半導(dǎo)體技術(shù)對于應(yīng)對全球能源危機正在發(fā)揮著重要的作用，并且以一種對環(huán)境更為負(fù)責(zé)的態(tài)度平衡能源的需求和供應(yīng)。半導(dǎo)體芯片持續(xù)發(fā)展將會進一步產(chǎn)生新的變革，例如：使替代能源，先進的智能電力網(wǎng)絡(luò)以及電力驅(qū)動汽車成為可能，并得到普及。

快速采用先進技術(shù)來解決能源問題需要更多的研究經(jīng)費以及對于環(huán)境學(xué)的研究，工業(yè)界、政府以及研究所之間技術(shù)的合作。我們需要采取全面的公共政策，包括對制造業(yè)和消費者進行稅收和其它激勵政策;聯(lián)邦政府、州和地區(qū)政府使用高能源效率的產(chǎn)品;增加政府對基礎(chǔ)研究的經(jīng)費支持。如果我們激進的追求“智能能源”，我們將會像發(fā)明蒸汽機、內(nèi)燃機那樣產(chǎn)生一次歷史性的變革。