能源效率:半导体21世纪的挑战

2009-08-18 10:50:46来源: 半导体国际 关键字:半导体  可再生能源  摩尔定律  SoC

     全球能源需求量的增长率已经远远高于传统能源的供应,但是,半导体行业能够帮助改善能源生产、输送以及消耗环节的效率

    从远古时代开始,能源就已经成为文明进步的主要推动力。我们的祖先发现火能够使他们免于掠食者的伤害,温暖他们居住的山洞,烹调事物以及扩展居住范围。火是人类从石器时代向青铜时代过渡的关键因素,同样对于18世纪出现的工业革命以及现代社会都是至关重要的,人类通过蒸气机将热能转化成机械能。古代埃及人使用石油作为燃料,马可波罗将“黑石”(煤)从中国带回了欧洲。

    人类对于石油驱动的交通工具以及煤炭驱动的电力工业的依赖已经很长时间了。例如:当前美国90%以上的能源消耗来自非可再生资源。尽管全球不断加强对于清洁和可再生资源的关注,仍然需要投入更多的研发力量才能使这种替代能源成为主流。科学技术对于提高当前能源利用效率,并将可替代能源从实验室转变到全球范围的应用起着关键性的作用。

    全球能源面临的挑战

    全球能源需求的增长比供给——我们通常所说的化石燃料——的提高要快得多。美国能源部门预测全球能源需求量将以40%的速度增长,到2030年达到700quadrillionBTU(1015英国

    热量单位,这种需求的不断提高由很多因素决定,包括新兴国家的经济繁荣。例如:中国每年新增发电量为50~80GW,这几乎相当于英国全年的发电量。

    能源需求量的增长对于经济、环境还有外交政策都提出了挑战。全球能源问题需要一个国际性的广泛的策略来寻求解决方案。这些努力来自政府以及不同行业的公司企业。学术界和研究所也发挥了重要的作用,这是因为我们所面临的这些挑战需要前所未有的新方法才能解决。由于我们所面临的挑战严峻且迫切,因此,需要协调各方面的努力,从而避免不必要的浪费。

    策略主要着眼于:

    •提高可再生资源在发电领域的使用率。

    •通过优化电力网络改善电力输送的效率。

    •提高工厂、建筑、设备、计算机、汽车以及其它产品的效率,从而降低耗电量

    科学技术在上述各个领域中起到了核心作用,让我们能够“消耗更少的能源,做更多的事情”,这样人类便不会因为能源问题降低对美好生活的追求。最近几十年内,半导体芯片几乎成为所有领域创新背后的推动力。自1978以来,IC使汽车的效率提高了40%,民用飞机的效率提高了121%,照明领域提高了339%,而计算机系统更是提高了惊人的3,000,000%。2因此,与系统和服务供应商一起,半导体行业在全球能源问题方面能够起到非常重要的作用。[page]

        发电领域:提高可再生资源的使用

    学术界、工业界以及政府都将焦点放到了可再生资源上。世界各地的研究人员都在针对如何利用太阳能、风能、生物能以及其它资源进行着研究。半导体技术对于推动这些可再生资源的利用,并使其成为主流,发挥着重要的作用。

    所有的能源都要先需要先将能量转化为电能。例如:将太阳照射的光子转化为电流。显而易见,能量转化的效率越高,我们能够用于生产的能量便越多。芯片通常能够帮助提高这种转换效率。例如:使用先进的芯片技术能够使太阳能转换效率提高到20~40%。相比之下,目前实用的太阳能技术的转化效率仅为5%。

    相对于化石燃料,可再生能源最大的挑战是缺乏成本优势。目前最佳的太阳能能源成本比煤炭能源成本高2~3倍。半导体技术能够帮助降低替代能源的制造成本——采用最新的技术,使半导体制造业能够继续遵循摩尔定律向前发展。对于纳米材料、纳米器件以及相关加工制造技术的研究对于促进替代燃料制造技术的进步起到了推动作用。目前太阳能技术同样是基于半导体技术中所用到的硅材料,并且目前高转化效率的太阳能电池与半导体芯片加工技术具有相似的形式。

    一些热门的替代能源,例如:太阳能和风能,自身存在一定的可变性和不确定性——无法确切的作出预测,例如:在某一特定地点和时间,太阳光或者风的强度。而巧妙的半导体芯片和系统设计能够针对这种可变性建立模型进行处理,从而提前进行补偿,降低供电部门和最终用户的波动

    降低电力输送环节的损耗

    统计结果表明,发电量的三分之二消耗于电力输送环节。3从另一个角度来看,意味着如果我们能够控制输电环节的损耗,便可以在不消耗额外资源的情况下,获得双倍的电力供应。世界上绝大部分的输电网络都有几十年的历史了,有些甚至接近百年。对于多数国家而言,当务之急是将这些陈旧的电网升级为“智能电网”,而科技在这个过程中扮演了推动力的作用。
 
    保证电力输送环节的可靠性和高效率是我们面对的一项重要挑战。仅美国一国,由于电力输送可靠性问题所带来的财产损失便高达2000亿美元每年。4主要的问题在于,工程师很难发现电网中隐藏的问题。这主要归咎于两个方面:第一,工程师迅速且精确发现问题的能力。第二,快速分析和计算从而获得解决方案的能力。而传感器微处理器芯片配合优化后的系统和软件能够提供这两方面的能力。

    并且,芯片和系统级别的优化需要确定,如何在现场传感器部分和中央控制部分之间分配计算处理能力。预计到2010年为止,美国全国电网只有不到一半的部分能够实现数字化,这意味着电力节省的空间还很大。终极目标是实现一种名为“自治愈网络”的输电系统,该系统能够诊断并修正自身存在的问题,通过复杂的片上集成系统(SoC)将感知、通讯、存储和计算等功能集成到一起。通过将现有供电网络升级到这种智能网络,可望每年节省1000亿美元的成本,节约能源达到千亿瓦。

    将这种芯片驱动的智能网络集成到发电、输送以及消耗领域将会产生更加惊人的作用。例如:太阳能板在晴天工作,风力涡轮机在多风的天气情况下运转。随着这些替代能源在整体能源中所占比例的提高,能量存储对于夜间、多云或者无风天气下电力的供应变得至关重要。

    混合燃料型和电力驱动的汽车将成为未来的解决方案。当电力工艺处于峰值时,可以对车载电瓶进行充电——未来也可能使用氢燃料电池,而当这些可再生资源不足时,车载电瓶也能够反向的向输电网络供电。这种智能网络允许其用户,可能是商业用户、工厂或者居民,更好的平衡能源消耗的供应和需求。智能网络在能源

    供应与消耗者之间实现了双向、实时的信息流,并且可以通过价格信号或者其它某种机制来调节能源消耗的行为。

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关键字:半导体  可再生能源  摩尔定律  SoC

编辑:金继舒 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/2009/0818/article_1084.html
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