半導體與世界能源危機

編者按：能源問題，是未來幾十年內整個人類無法回避的話題，信息化的一個必然結果就是越來越多能源的消耗，與此同時面臨的是越來越稀缺的化石燃料資源和日益增多的溫室氣體排放帶來的全球惡劣氣候問題。改善環(huán)境的同時，又要逐步滿足消費者的能源需求，這就需要半導體產(chǎn)品的大力配合，為此，我們特別邀請意法半導體高層撰文為我們介紹半導體與世界能源危機。

“無法停止的力量”與“無法移動的物體”相碰撞，這是對當今世界面臨的最重要問題之一的能源危機的恰當比喻。無法停止的力量是全球對能源日益增長的需求：無法移動的物體是世界不斷減少的化石燃料儲量和燃燒化石燃料正在引起氣候變化并將會給未來后代帶來深遠的負面影響這一日益被人們所接受的觀點。

無法停止的力量

全世界對電能的需求正在不斷增長，在可預見的未來，這種增長趨勢不會改變。美孚2010年市場展望預測，至2030年，全球對電能的需求將比現(xiàn)在高50％。即使我們有幸發(fā)現(xiàn)新的化石燃料儲備，出于對全球變暖的考慮，我們也不能再繼續(xù)燃燒化石燃料。無法停止的力量與無法移動的物體碰撞在一起。

目前的電能使用方式的根源于20世紀初期，當時石油價格低廉，似乎取之不盡，用之不竭，更沒有人會想到人類活動會影響氣候變化。今天，我們知道這種使用方式與可持續(xù)發(fā)展原則背道而馳、我們亟需改變現(xiàn)狀。

鑒于這一挑戰(zhàn)的影響范圍和復雜性，我們每個人都必須為解決這個難題貢獻力量。我們相信半導體工業(yè)可以削弱這種無法停止的力量，使這個無法移動的物體變得能夠移動。

全球用電人口和高耗電型電器數(shù)量驟增要求我們必須全面改變現(xiàn)今世界的用電方式。期望降低全世界的用電需求可能是不合理的，但是我們必須致力于減緩耗電量增長的速度，在一定程度上削弱這種“無法停止的力量”。

有兩種方法給我們帶來希望。第一個方法是降低每一產(chǎn)品的耗電量，提高發(fā)電和配電的能效；第二個方法是改變消費者的用電習慣。半導體技術對這兩種方法都能發(fā)揮作用。

在所有的電子和電力產(chǎn)品技術中，性價比是電路和系統(tǒng)開發(fā)中的關注焦點。今天，能源問題讓開發(fā)人員開始關注能耗。國際能源署(IEA)預計，在減少全球能耗所產(chǎn)生的二氧化碳排放量所作的努力中，提高終端產(chǎn)品的能效將起到最重要的促進作用。在未來十年之時，高能效所帶來的節(jié)能將占全球總節(jié)能量的一半以上。

有多種降低終端產(chǎn)品能耗的方式。技術升級是其中一種方法。假設每年的晶體管出貨量是20億顆，而上一代晶體管被當今的先進晶體管所取代，電源設備每年將節(jié)省電能4-5萬億瓦時，這個數(shù)字相當于兩座500MW(兆瓦)核電站的年發(fā)電量。

采用智能系統(tǒng)更為重要。智能系統(tǒng)是指在一個系統(tǒng)內整合數(shù)字信號處理器、傳感器、執(zhí)行器等多項功能。這種方式的節(jié)能效果已經(jīng)在家電應用領域顯現(xiàn)出來。隨著性能強大且價格低廉的微控制器的推廣應用，能效更高的無刷電機正在逐步取代耗電極大的傳統(tǒng)通用電機。無刷電機的能效通常比所替代電機高30％，如果所有的通用電機被無刷電機取代，這將在2020年前節(jié)能50萬億瓦時。

第二方法是幫助消費者改變用電習慣。這種方法更具挑戰(zhàn)性，因為用電習慣的改變在很大程度上取決于政府法律和電力基礎設施的雙重作用。為用戶提供詳細的用電信息，以及他們的用電方式對電費的影響，將有助于消費者減少用電量。最近在芬蘭進行一個供電改革試點項目，消費者能夠看到用電和電費的具體信息而改變了用電方式，從而帶來用電量平均節(jié)省了7％。

無法移動的物體

太陽能、風力發(fā)電和其它再生能源均被認為是未來電力領域的重要力量，然而從商業(yè)角度看，眼下這些新能源發(fā)電還無法與化石燃料發(fā)電展開市場競爭，提高再生能源的成本效益是其中最大的挑戰(zhàn)。

首先，我們可以利用在硅技術、電路和系統(tǒng)架構方面積累的技術和知識、提高再生能源在發(fā)電、蓄電和配電方面的成本效益。意法半導體等公司在提高太陽能電池及相關電子系統(tǒng)的能效方面取得很大進步。此外，也為開發(fā)更好的蓄電技術能效做出了貢獻。蓄電技術是把在陽光充足或風力很大時產(chǎn)生的能量貯存起來，然后在發(fā)電低谷期把電能送入電網(wǎng)。

第二，我們必須把硅技術延伸到其它半導體技術領域。新的合成半導體材料比硅具有更好的電屬性和物理屬性，能夠提高功率晶體管的能效。雖然提高幅度不大，只有幾個百分點，但是這讓我們有機會為眾多的應用設計開發(fā)能效更高的功率級，例如，混合動力汽車和太陽能逆變器。新材料還能讓我們實現(xiàn)尺寸緊湊的電動設備。這些優(yōu)勢都可能在新能源商業(yè)前景中起著重要作用。

此外，我們還必須加快智能電網(wǎng)的開發(fā)和推廣。雖然從19世紀末開始，眾多的技術進步使得人類生活在各方面得到大幅改善，但是在發(fā)電和輸電技術方面沒有發(fā)生太大的變化。無疑，電網(wǎng)升級是我們面臨的最大挑戰(zhàn)之一，因為電力基礎設施更換的特點是規(guī)模大且不能中斷供電。人們廣泛認可智能電網(wǎng)是電力工業(yè)發(fā)展進程中的一個重要階段。智能電網(wǎng)有很多好處，例如，智能電網(wǎng)有助于再生能源大規(guī)模推廣應用。

理想的情況是，凡是投資新能源的人都能受益于智能電網(wǎng)的升級，例如，在屋頂安裝太陽能板或建一個小型的風力發(fā)電機、發(fā)電滿足自身用電需求，這樣可以減少對電網(wǎng)的依賴，節(jié)省電費開銷；當自發(fā)電充足時，還可以向電網(wǎng)輸電，實現(xiàn)創(chuàng)收。傳統(tǒng)電網(wǎng)很少鼓勵這種投資。多數(shù)人相信這將是未來能源格局的重要組成部分。

“無法停止的力量”與“無法移動的物體”碰撞是全世界面臨的一個嚴峻挑戰(zhàn)。但是，意法半導體與其它企業(yè)正在研發(fā)多項尖端技術，我們相信半導體技術將會為人類戰(zhàn)勝這個挑戰(zhàn)而做出重大貢獻。