能源效率：半導(dǎo)體21世紀(jì)的挑戰(zhàn)

　　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(shì)。圖1所示為美國(guó)能源消耗形勢(shì)圖。盡管該圖代表的是一個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)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(lái)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(lái)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。

　　圖1.2008年美國(guó)能源消耗分布圖，半數(shù)的能源消耗來(lái)自工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。

　　存在兩種互補(bǔ)的因素來(lái)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(jué)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(gòu)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(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(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?/p>

　　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(dǎo)體技術(shù)能夠通過(guò)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?jī)H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(wàn)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(guó)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(lái)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(guò)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(guò)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?jī)H為幾克，耗電量低于1W。

　　圖2.2006年，位于美國(guó)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(lái)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。