能源效率：半導體21世紀的挑戰

　　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(diǎn)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(yáng)能、風(fēng)能、生物能以及其它資源進(jìn)行著(zhù)研究。半導體技術(shù)對于推動(dòng)這些可再生資源的利用，并使其成為主流，發(fā)揮著(zhù)重要的作用。

　　所有的能源都要先需要先將能量轉化為電能。例如：將太陽(yáng)照射的光子轉化為電流。顯而易見(jiàn)，能量轉化的效率越高，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換效率。例如：使用先進(jìn)的芯片技術(shù)能夠使太陽(yáng)能轉換效率提高到20~40%。相比之下，目前實(shí)用的太陽(yáng)能技術(shù)的轉化效率僅為5%。

　　相對于化石燃料，可再生能源最大的挑戰是缺乏成本優(yōu)勢。目前最佳的太陽(yáng)能能源成本比煤炭能源成本高2~3倍。半導體技術(shù)能夠幫助降低替代能源的制造成本——采用最新的技術(shù)，使半導體制造業(yè)能夠繼續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(jìn)替代燃料制造技術(shù)的進(jìn)步起到了推動(dòng)作用。目前太陽(yáng)能技術(shù)同樣是基于半導體技術(shù)中所用到的硅材料，并且目前高轉化效率的太陽(yáng)能電池與半導體芯片加工技術(shù)具有相似的形式。

　　一些熱門(mén)的替代能源，例如：太陽(yáng)能和風(fēng)能，自身存在一定的可變性和不確定性——無(wú)法確切的作出預測，例如：在某一特定地點(diǎn)和時(shí)間，太陽(yáng)光或者風(fēng)的強度。而巧妙的半導體芯片和系統設計能夠針對這種可變性建立模型進(jìn)行處理，從而提前進(jìn)行補償，降低供電部門(mén)和最終用戶(hù)的波動(dòng)。

　　降低電力輸送環(huán)節的損耗

　　統計結果表明，發(fā)電量的三分之二消耗于電力輸送環(huán)節。3從另一個(gè)角度來(lái)看，意味著(zhù)如果我們能夠控制輸電環(huán)節的損耗，便可以在不消耗額外資源的情況下，獲得雙倍的電力供應。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。對于多數國家而言，當務(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(gè)過(guò)程中扮演了推動(dòng)力的作用。

　　保證電力輸送環(huán)節的可靠性和高效率是我們面對的一項重要挑戰。僅美國一國，由于電力輸送可靠性問(wèn)題所帶來(lái)的財產(chǎn)損失便高達2000億美元每年。4主要的問(wèn)題在于，工程師很難發(fā)現電網(wǎng)中隱藏的問(wèn)題。這主要歸咎于兩個(gè)方面：第一，工程師迅速且精確發(fā)現問(wèn)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)化后的系統和軟件能夠提供這兩方面的能力。

　　并且，芯片和系統級別的優(yōu)化需要確定，如何在現場(chǎng)傳感器部分和中央控制部分之間分配計算處理能力。預計到2010年為止，美國全國電網(wǎng)只有不到一半的部分能夠實(shí)現數字化，這意味著(zhù)電力節省的空間還很大。終極目標是實(shí)現一種名為“自治愈網(wǎng)絡(luò )”的輸電系統，該系統能夠診斷并修正自身存在的問(wèn)題，通過(guò)復雜的片上集成系統(SoC)將感知、通訊、存儲和計算等功能集成到一起。通過(guò)將現有供電網(wǎng)絡(luò )升級到這種智能網(wǎng)絡(luò )，可望每年節省1000億美元的成本，節約能源達到千億瓦。

　　將這種芯片驅動(dòng)的智能網(wǎng)絡(luò )集成到發(fā)電、輸送以及消耗領(lǐng)域將會(huì )產(chǎn)生更加驚人的作用。例如：太陽(yáng)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。隨著(zhù)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(wú)風(fēng)天氣下電力的供應變得至關(guān)重要。

　　混合燃料型和電力驅動(dòng)的汽車(chē)將成為未來(lái)的解決方案。當電力工藝處于峰值時(shí)，可以對車(chē)載電瓶進(jìn)行充電——未來(lái)也可能使用氫燃料電池，而當這些可再生資源不足時(shí)，車(chē)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(hù)，可能是商業(yè)用戶(hù)、工廠(chǎng)或者居民，更好的平衡能源消耗的供應和需求。智能網(wǎng)絡(luò )在能源

　　供應與消耗者之間實(shí)現了雙向、實(shí)時(shí)的信息流，并且可以通過(guò)價(jià)格信號或者其它某種機制來(lái)調節能源消耗的行為。