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能源革命為微電子產(chǎn)業(yè)提供新機(jī)遇

發(fā)布時(shí)間:2009-12-21 來(lái)源:中國(guó)電子報(bào)

中心議題:
  • 能源革命為微電子產(chǎn)業(yè)提供新機(jī)遇
解決方案:
  • 中國(guó)應(yīng)走低能耗發(fā)展道路
  • 加速信息設(shè)備節(jié)能化進(jìn)程
  • 提高電網(wǎng)傳輸效率
  • 助力電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化

清華大學(xué)微電子研究所副所長(zhǎng)王志華

在過(guò)去10年中,中國(guó)GDP與能耗基本上是同比例增加的。中國(guó)GDP要趕超美國(guó),如果不走一條低能耗發(fā)展道路,未來(lái)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(jìn)制造業(yè)才是富民強(qiáng)國(guó)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(wèn)題對(duì)于中國(guó)和世界都是重要的話(huà)題。過(guò)去的30年,是中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的30年,同時(shí)也是能耗快速增長(zhǎng)的30年。能源短缺、氣候暖化等諸多問(wèn)題將對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)負(fù)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(guó)應(yīng)走低能耗發(fā)展道路
英國(guó)BP公司能源報(bào)告顯示,在1977年,中國(guó)石油消耗量?jī)H為163.8萬(wàn)桶/天,占全球石油消耗量的2.7%,而到2008年,中國(guó)石油消耗量增加到799.9萬(wàn)桶/天,占全球石油消耗量的比例也上升到9.6%。在1977年,中國(guó)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(guó)的發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到34224億千瓦時(shí),占全球發(fā)電量的17%。

在過(guò)去10年中,中國(guó)的GDP與能耗基本上是同比例增加的。從單位GDP(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值)的能耗來(lái)看,根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局提供的數(shù)據(jù),當(dāng)前中國(guó)1億美元GDP所消耗的能源是12.03萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤,大約是日本的7.2倍,是德國(guó)的5.62倍,是美國(guó)的3.52倍,是印度的1.18倍,是世界平均水平的3.28倍。中國(guó)的GDP要趕超美國(guó),如果不走一條低能耗的發(fā)展道路,未來(lái)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(jìn)制造業(yè)才是富民強(qiáng)國(guó)的基礎(chǔ)。

加速信息設(shè)備節(jié)能化進(jìn)程
信息設(shè)備在給人們生活帶來(lái)巨大便利的同時(shí),也產(chǎn)生了很多新的能耗。在2000年,全球個(gè)人電腦、消費(fèi)類(lèi)電子、電話(huà)等設(shè)備的耗電量已經(jīng)達(dá)到2000億千瓦時(shí),二氧化碳排放量達(dá)到1.5億噸,相當(dāng)于3000萬(wàn)輛小汽車(chē)的年排放量。而辦公設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器等的耗電量為970億千瓦時(shí),相當(dāng)于當(dāng)年美國(guó)發(fā)電量的3%。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及,最近10年來(lái)信息設(shè)備的耗電量仍在迅速增加,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如網(wǎng)絡(luò)控制器、交換機(jī)、路由器、寬帶調(diào)制解調(diào)器、無(wú)線(xiàn)接入設(shè)備等)的直接能耗和網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)的新能耗(如為了保持網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)。在1999年,福布斯雜志預(yù)測(cè)互聯(lián)網(wǎng)用電在10年之內(nèi)的年增長(zhǎng)率將超過(guò)50%,當(dāng)時(shí)很少有人相信這個(gè)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(gè)特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間處于開(kāi)啟狀態(tài),但真正使用的時(shí)間并不多。這樣,互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備將長(zhǎng)時(shí)間保持高能耗、高流量狀態(tài),這就造成了很多的能源浪費(fèi)。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(gè)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(dāng)設(shè)備處于休眠狀態(tài)時(shí),其消耗的電能極低。另外,還要尋求“快切換”技術(shù),實(shí)現(xiàn)高碼率和低碼率之間的快速切換,并且保證在切換過(guò)程中不丟包。針對(duì)這些需求,美國(guó)提出了802.3az標(biāo)準(zhǔn),新的集成電路將被要求滿(mǎn)足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前已經(jīng)有中國(guó)公司投入到了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的研究,這對(duì)我國(guó)企業(yè)而言是非常重要的,因?yàn)椋绻袊?guó)通信設(shè)備企業(yè)的產(chǎn)品不滿(mǎn)足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),將來(lái)出口到歐美一些國(guó)家的時(shí)候就可能會(huì)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(shí)現(xiàn)低功耗的重要性,那么,微電子技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于全社會(huì)能耗的降低會(huì)有什么樣的貢獻(xiàn)呢?集成電路在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用就是微電子技術(shù)為全社會(huì)節(jié)能降耗作出貢獻(xiàn)的一個(gè)實(shí)例。

據(jù)統(tǒng)計(jì),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(guó)能源部提供的數(shù)據(jù),如果美國(guó)電網(wǎng)效率提高5%,所節(jié)約的能源相當(dāng)于減少5300萬(wàn)輛汽車(chē)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(duì)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(guò)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(gè)特征是使用數(shù)字技術(shù),包括用智能電表檢測(cè)電能消耗情況,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制間歇工作的發(fā)電機(jī),根據(jù)消費(fèi)需求生產(chǎn)電能,從而提高傳輸效率。智能電網(wǎng)的另一個(gè)特征是允許分布式的替代能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等)進(jìn)入電網(wǎng)。據(jù)美國(guó)能源部預(yù)測(cè),到2030年,風(fēng)能將提供美國(guó)電力需求的20%,這也給集成電路和半導(dǎo)體功率器件提供了市場(chǎng)機(jī)會(huì)。風(fēng)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(yáng)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(dǎo)體器件。而分布式能源在輸入電網(wǎng)過(guò)程中的計(jì)量則要依靠集成電路。

助力電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化
傳統(tǒng)汽車(chē)采用汽油或柴油作為動(dòng)力源,這種用發(fā)動(dòng)機(jī)將化石能源直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)力的方式其實(shí)是非常不科學(xué)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(dòng)汽車(chē)就是基于這一理念而受到重視的。電動(dòng)汽車(chē)是依靠可充電的鋰離子電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的,電動(dòng)車(chē)中充電管理和計(jì)量管理給微電子產(chǎn)業(yè)提供了機(jī)會(huì)。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(shí),就一定需要一個(gè)很復(fù)雜的電路來(lái)管理電池,使它能夠平衡地、穩(wěn)定地充電,直到充滿(mǎn)。各個(gè)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(zhǎng)期保持在最佳的狀態(tài),從而延長(zhǎng)電池的壽命。

電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)模式還在探索之中,很多公司希望在經(jīng)營(yíng)上將電動(dòng)汽車(chē)與電池組分離,也就是說(shuō),由專(zhuān)業(yè)的充電公司向車(chē)主提供電池組,電動(dòng)車(chē)可以開(kāi)到一個(gè)充電站直接更換電池組。由此引出的一個(gè)問(wèn)題是如何準(zhǔn)確計(jì)量電池組的實(shí)際電量,只有做到了準(zhǔn)確計(jì)量,才能保證商業(yè)活動(dòng)的正常進(jìn)行。而在電量的計(jì)量方面,仍然是微電子產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)。
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