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    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(shí)代開始，能源就已經(jīng)成為文明進(jìn)步的主要推動(dòng)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(kuò)展居住范圍?；鹗侨祟悘氖鲿r(shí)代向青銅時(shí)代過渡的關(guān)鍵因素，同樣對(duì)于18世紀(jì)出現(xiàn)的工業(yè)革命以及現(xiàn)代社會(huì)都是至關(guān)重要的，人類通過蒸氣機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)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(duì)于石油驅(qū)動(dòng)的交通工具以及煤炭驅(qū)動(dòng)的電力工業(yè)的依賴已經(jīng)很長時(shí)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(qiáng)對(duì)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(duì)于提高當(dāng)前能源利用效率，并將可替代能源從實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jì)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(duì)于經(jīng)濟(jì)、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(gè)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?yàn)槲覀兯媾R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(fèi)。 

   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(jì)算機(jī)、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(gè)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(huì)因?yàn)槟茉磫栴}降低對(duì)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(dòng)力。自1978以來，IC使汽車的效率提高了40%，民用飛機(jī)的效率提高了121%，照明領(lǐng)域提高了339%，而計(jì)算機(jī)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(diǎn)放到了可再生資源上。世界各地的研究人員都在針對(duì)如何利用太陽能、風(fēng)能、生物能以及其它資源進(jìn)行著研究。半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)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(jìn)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(shí)用的太陽能技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率僅為5%。 

   相對(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)和時(shí)間，太陽光或者風(fēng)的強(qiáng)度。而巧妙的半導(dǎo)體芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠針對(duì)這種可變性建立模型進(jìn)行處理，從而提前進(jìn)行補(bǔ)償，降低供電部門和最終用戶的波動(dòng)。
 
  降低電力輸送環(huán)節(jié)的損耗 

   統(tǒng)計(jì)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(gè)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(duì)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(jí)為“智能電網(wǎng)”，而科技在這個(gè)過程中扮演了推動(dòng)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(duì)的一項(xiàng)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(cái)產(chǎn)損失便高達(dá)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?dú)w咎于兩個(gè)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(jì)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(jí)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(jì)算處理能力。預(yù)計(jì)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(shí)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(chǔ)和計(jì)算等功能集成到一起。通過將現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)升級(jí)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(dá)到千億瓦。 

   將這種芯片驅(qū)動(dòng)的智能網(wǎng)絡(luò)集成到發(fā)電、輸送以及消耗領(lǐng)域?qū)?huì)產(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(jī)在多風(fēng)的天氣情況下運(yùn)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(chǔ)對(duì)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(dòng)的汽車將成為未來的解決方案。當(dāng)電力工藝處于峰值時(shí)，可以對(duì)車載電瓶進(jìn)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(shí)，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 

   供應(yīng)與消耗者之間實(shí)現(xiàn)了雙向、實(shí)時(shí)的信息流，并且可以通過價(jià)格信號(hào)或者其它某種機(jī)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(gè)發(fā)達(dá)國家的情況，可能并不適用于全球，但是隨著新興經(jīng)濟(jì)體的發(fā)展和繁榮，未來全球能源消耗很可能會(huì)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(yùn)輸略低于三分之一，剩余部分為民用消耗。  

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(bǔ)的因素來降低能源消耗。其中之一為改變個(gè)人對(duì)能源消耗的認(rèn)識(shí)以及生活方式；更加自覺和謹(jǐn)慎地對(duì)待能源浪費(fèi)——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(diǎn)為必要條件但不是充分條件，這是因?yàn)槿藗冃枰S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(jì)體的涌現(xiàn)，更多的人將會(huì)購買電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)和汽車；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(duì)能源浪費(fèi)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(jī)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(gè)領(lǐng)域?qū)δ茉聪牡淖饔谩?nbsp;

  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(duì)其產(chǎn)生影響。最主要的一個(gè)影響是改進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jī)工作在不同的速度之下，相對(duì)于勻速驅(qū)動(dòng)，耗電量僅為八分之一。目前，僅有5%的電動(dòng)機(jī)工作于不同的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(duì)環(huán)境的影響，5%的高效率電動(dòng)機(jī)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(gè)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(shí)，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(jì)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(jì)算機(jī)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。  

   2006年，位于美國的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心耗電量相對(duì)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(jìn)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(huì)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(huì)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(duì)于應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)正在發(fā)揮著重要的作用，并且以一種對(duì)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(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生新的變革，例如：使替代能源，先進(jìn)的智能電力網(wǎng)絡(luò)以及電力驅(qū)動(dòng)汽車成為可能，并得到普及。 

   快速采用先進(jìn)技術(shù)來解決能源問題需要更多的研究經(jīng)費(fèi)以及對(duì)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(duì)制造業(yè)和消費(fèi)者進(jìn)行稅收和其它激勵(lì)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(duì)基礎(chǔ)研究的經(jīng)費(fèi)支持。如果我們激進(jìn)的追求“智能能源”，我們將會(huì)像發(fā)明蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)那樣產(chǎn)生一次歷史性的變革。 
   全球的汽車消費(fèi)者。  

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(jì)并且舒適。

   半導(dǎo)體技術(shù)在混合燃料和電力驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)于這系列芯片的研究對(duì)于混合燃料/電力驅(qū)動(dòng)汽車至關(guān)重要。相對(duì)于傳統(tǒng)汽油驅(qū)動(dòng)的汽車，混合燃料/電力驅(qū)動(dòng)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(jìn)步，將產(chǎn)生更進(jìn)一步的性能改進(jìn)。 

   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(gè)體能夠承受得起更加先進(jìn)的計(jì)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(jìn)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(shí)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(duì)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(fèi)者是商品和服務(wù)的主要用戶，這個(gè)比例還將快速提升。 

   從2008年到2018年，美國家庭數(shù)量預(yù)計(jì)將增長11%，整體電力增長預(yù)計(jì)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(duì)于提升先進(jìn)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本身就是半導(dǎo)體技術(shù)。 

   當(dāng)我們的設(shè)備處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體技術(shù)能夠幫助降低待機(jī)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(jī)功耗隨時(shí)都會(huì)產(chǎn)生，并且我們很多先進(jìn)設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生待機(jī)功耗，因此，估計(jì)待機(jī)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(shí)，其主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)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。  

智能房屋具有以下一些特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)信息交互。通過對(duì)能源需求進(jìn)行管理、降低能源浪費(fèi)，這種信息交互能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的能源利用率——例如：鼓勵(lì)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(shí)際情況下，消費(fèi)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(fèi)用。另外，單位千瓦時(shí)的用電費(fèi)用可以隨著時(shí)間改變，這樣消費(fèi)者可以選擇在低費(fèi)率的時(shí)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(jìn)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(huì)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(huì)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(duì)于應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)正在發(fā)揮著重要的作用，并且以一種對(duì)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(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生新的變革，例如：使替代能源，先進(jìn)的智能電力網(wǎng)絡(luò)以及電力驅(qū)動(dòng)汽車成為可能，并得到普及。 

   快速采用先進(jìn)技術(shù)來解決能源問題需要更多的研究經(jīng)費(fèi)以及對(duì)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(duì)制造業(yè)和消費(fèi)者進(jìn)行稅收和其它激勵(lì)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(duì)基礎(chǔ)研究的經(jīng)費(fèi)支持。如果我們激進(jìn)的追求“智能能源”，我們將會(huì)像發(fā)明蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)那樣產(chǎn)生一次歷史性的變革。