能源效率：半導體21世紀的挑戰

　　提高能源利用的效率

　　為了確定節約能源的途徑，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(gè)發(fā)達國家的情況，可能并不適用于全球，但是隨著(zhù)新興經(jīng)濟體的發(fā)展和繁榮，未來(lái)全球能源消耗很可能會(huì )呈現出相似的情況。半數的能源的消耗來(lái)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，半數的能源消耗來(lái)自工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。

　　存在兩種互補的因素來(lái)降低能源消耗。其中之一為改變個(gè)人對能源消耗的認識以及生活方式;更加自覺(jué)和謹慎地對待能源浪費——減少汽車(chē)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(diǎn)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的。隨著(zhù)更多新興經(jīng)濟體的涌現，更多的人將會(huì )購買(mǎi)電視機、電冰箱、洗衣機和汽車(chē);因此能源消耗很可能會(huì )增加而不是降低——即使人們已經(jīng)對能源浪費具備了謹慎和自覺(jué)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。讓我們根據圖1逐一研究科學(xué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域對能源消耗的作用。

　　工業(yè)和商用

　　幾乎一半的能源消耗來(lái)自工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。半導體技術(shù)能夠通過(guò)多種途徑對其產(chǎn)生影響。最主要的一個(gè)影響是改進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機工作在不同的速度之下，相對于勻速驅動(dòng)，耗電量?jì)H為八分之一。目前，僅有5%的電動(dòng)機工作于不同的驅動(dòng)速度，但是其所節省的電量已經(jīng)相當于10座發(fā)電站的發(fā)電量。如果所有的電動(dòng)機都能高效率的工作，我們將節省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(dòng)機已經(jīng)減少了6800萬(wàn)噸溫室氣體的排放。

　　數字化技術(shù)已經(jīng)成為人們個(gè)人生活和工作的一部分。這些數字系統產(chǎn)生更高的電力需求。例如：2006年，位于美國的服務(wù)器和數據中心所消耗的電量接近610億千瓦時(shí)，相當于2001年消耗量的兩倍(圖2)。如果我們現在不采取措施，未來(lái)5年內，數據中心的耗電量還將提高一倍。盡管如此，通過(guò)半導體芯片和系統設計方面的創(chuàng )新，我們能夠將耗電量降低50%，盡管需求仍將加倍。半導體工業(yè)在降低能源消耗領(lǐng)域具有豐富的歷史。例如，早期的計算機設備，例如：ENIAC，重量超過(guò)30噸，耗電量為200kW。手提設備已經(jīng)可以提供相同的功能，而重量?jì)H為幾克，耗電量低于1W。

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