- 能源革命為微電子產(chǎn)業(yè)提供新機遇
- 中國應走低能耗發(fā)展道路
- 加速信息設(shè)備節(jié)能化進程
- 提高電網(wǎng)傳輸效率
- 助力電動汽車產(chǎn)業(yè)化
清華大學微電子研究所副所長王志華
在過去10年中，中國GDP與能耗基本上是同比例增加的。中國GDP要趕超美國，如果不走一條低能耗發(fā)展道路，未來是不可想象的。只有以新技術(shù)為支撐的、不以消耗資源為特征的先進制造業(yè)才是富民強國的基礎(chǔ)。微電子產(chǎn)業(yè)將在能源革命中扮演重要的角色。
能源問題對于中國和世界都是重要的話題。過去的30年，是中國經(jīng)濟飛速發(fā)展的30年，同時也是能耗快速增長的30年。能源短缺、氣候暖化等諸多問題將對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展帶來負面影響。以集成電路芯片為核心的微電子產(chǎn)業(yè)將在能源革命中扮演重要的角色。
中國應走低能耗發(fā)展道路
英國BP公司能源報告顯示，在1977年，中國石油消耗量僅為163.8萬桶/天，占全球石油消耗量的2.7%，而到2008年，中國石油消耗量增加到799.9萬桶/天，占全球石油消耗量的比例也上升到9.6%。在1977年，中國煤炭消耗量占全球煤炭消耗量的30.2%，而到2008年，這一比例也上升到42.6%。2008年，中國的發(fā)電量已經(jīng)達到34224億千瓦時，占全球發(fā)電量的17%。
在過去10年中，中國的GDP與能耗基本上是同比例增加的。從單位GDP(國內(nèi)生產(chǎn)總值)的能耗來看，根據(jù)國家統(tǒng)計局提供的數(shù)據(jù)，當前中國1億美元GDP所消耗的能源是12.03萬噸標準煤，大約是日本的7.2倍，是德國的5.62倍，是美國的3.52倍，是印度的1.18倍，是世界平均水平的3.28倍。中國的GDP要趕超美國，如果不走一條低能耗的發(fā)展道路，未來是不可想象的。只有以新技術(shù)為支撐的、不以消耗資源為特征的先進制造業(yè)才是富民強國的基礎(chǔ)。
加速信息設(shè)備節(jié)能化進程
信息設(shè)備在給人們生活帶來巨大便利的同時，也產(chǎn)生了很多新的能耗。在2000年，全球個人電腦、消費類電子、電話等設(shè)備的耗電量已經(jīng)達到2000億千瓦時，二氧化碳排放量達到1.5億噸，相當于3000萬輛小汽車的年排放量。而辦公設(shè)備、網(wǎng)絡設(shè)備、服務器等的耗電量為970億千瓦時，相當于當年美國發(fā)電量的3%。
隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，最近10年來信息設(shè)備的耗電量仍在迅速增加，網(wǎng)絡設(shè)備(如網(wǎng)絡控制器、交換機、路由器、寬帶調(diào)制解調(diào)器、無線接入設(shè)備等)的直接能耗和網(wǎng)絡引進的新能耗(如為了保持網(wǎng)絡聯(lián)通而引入的功率器件)使得信息設(shè)備的能耗出現(xiàn)了驚人的增長。在1999年，福布斯雜志預測互聯(lián)網(wǎng)用電在10年之內(nèi)的年增長率將超過50%，當時很少有人相信這個判斷，但從目前的情況看，的確是不幸被言中了。
家用電腦的一個特點是長時間處于開啟狀態(tài)，但真正使用的時間并不多。這樣，互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備將長時間保持高能耗、高流量狀態(tài)，這就造成了很多的能源浪費。為了減少這種不合理的現(xiàn)象，業(yè)界不斷尋求降低鏈路功耗的方法。一個可行的方法是利用高效的電源管理措施，讓設(shè)備處于“深休眠”狀態(tài)，也就是當設(shè)備處于休眠狀態(tài)時，其消耗的電能極低。另外，還要尋求“快切換”技術(shù)，實現(xiàn)高碼率和低碼率之間的快速切換，并且保證在切換過程中不丟包。針對這些需求，美國提出了802.3az標準，新的集成電路將被要求滿足這個標準。
目前已經(jīng)有中國公司投入到了這個標準的研究，這對我國企業(yè)而言是非常重要的，因為，如果中國通信設(shè)備企業(yè)的產(chǎn)品不滿足這個標準，將來出口到歐美一些國家的時候就可能會遭遇“綠色壁壘”。
提高電網(wǎng)傳輸效率
我們已經(jīng)看到了集成電路實現(xiàn)低功耗的重要性，那么，微電子技術(shù)的應用對于全社會能耗的降低會有什么樣的貢獻呢？集成電路在智能電網(wǎng)中的應用就是微電子技術(shù)為全社會節(jié)能降耗作出貢獻的一個實例。
據(jù)統(tǒng)計，全世界的發(fā)電總量在電網(wǎng)內(nèi)部消耗了大約40%。根據(jù)美國能源部提供的數(shù)據(jù)，如果美國電網(wǎng)效率提高5%，所節(jié)約的能源相當于減少5300萬輛汽車產(chǎn)生的二氧化碳排放。
建設(shè)智能電網(wǎng)是提高電網(wǎng)輸電效率的有效手段，而電網(wǎng)的智能化對集成電路提出了更高的要求。智能電網(wǎng)要能夠感知系統(tǒng)過載并能分配電力，以防止系統(tǒng)故障或者使故障的影響最小。智能電網(wǎng)的一個特征是使用數(shù)字技術(shù)，包括用智能電表檢測電能消耗情況，通過網(wǎng)絡化的傳感器和計算機系統(tǒng)控制間歇工作的發(fā)電機，根據(jù)消費需求生產(chǎn)電能，從而提高傳輸效率。智能電網(wǎng)的另一個特征是允許分布式的替代能源(太陽能、風能、生物質(zhì)能等)進入電網(wǎng)。據(jù)美國能源部預測，到2030年，風能將提供美國電力需求的20%，這也給集成電路和半導體功率器件提供了市場機會。風力發(fā)電形成的是不穩(wěn)定的交流電，需要用整流裝置將其轉(zhuǎn)換為直流電，再用逆變器轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)可以接納的交流電之后輸送到電網(wǎng)中去。而太陽能電池發(fā)電形成的是直流電，同樣需要經(jīng)逆變器的轉(zhuǎn)換之后才能并網(wǎng)。不論是整流器還是逆變器，其核心都是功率半導體器件。而分布式能源在輸入電網(wǎng)過程中的計量則要依靠集成電路。
助力電動汽車產(chǎn)業(yè)化
傳統(tǒng)汽車采用汽油或柴油作為動力源，這種用發(fā)動機將化石能源直接轉(zhuǎn)換為動力的方式其實是非常不科學的。如果我們將化石能源集中轉(zhuǎn)換、分散使用，將大幅度地提高能源的使用效率，電動汽車就是基于這一理念而受到重視的。電動汽車是依靠可充電的鋰離子電池進行驅(qū)動的，電動車中充電管理和計量管理給微電子產(chǎn)業(yè)提供了機會。為了避免高壓充電，鋰離子電池就不能采用恒流串聯(lián)的充電方式，這時，就一定需要一個很復雜的電路來管理電池，使它能夠平衡地、穩(wěn)定地充電，直到充滿。各個單體電池的電壓、工作溫度、充電狀態(tài)均衡、穩(wěn)定，這樣也可以讓電池長期保持在最佳的狀態(tài)，從而延長電池的壽命。
電動汽車的運營模式還在探索之中，很多公司希望在經(jīng)營上將電動汽車與電池組分離，也就是說，由專業(yè)的充電公司向車主提供電池組，電動車可以開到一個充電站直接更換電池組。由此引出的一個問題是如何準確計量電池組的實際電量，只有做到了準確計量，才能保證商業(yè)活動的正常進行。而在電量的計量方面，仍然是微電子產(chǎn)業(yè)的機會。
