- 能源革命為微電子產業提供新機遇
- 中國應走低能耗發展道路
- 加速信息設備節能化進程
- 提高電網傳輸效率
- 助力電動汽車產業化
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展道路，未來是不可想象的。只有以新技術為支撐的、不以消耗資源為特征的先進制造業才是富民強國的基礎。微電子產業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，是中國經濟飛速發展的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濟社會可持續發展帶來負面影響。以集成電路芯片為核心的微電子產業將在能源革命中扮演重要的角色。
中國應走低能耗發展道路
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，中國的發電量已經達到34224億千瓦時，占全球發電量的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(國內生產總值)的能耗來看，根據國家統計局提供的數據，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展道路，未來是不可想象的。只有以新技術為支撐的、不以消耗資源為特征的先進制造業才是富民強國的基礎。
加速信息設備節能化進程
信息設備在給人們生活帶來巨大便利的同時，也產生了很多新的能耗。在2000年，全球個人電腦、消費類電子、電話等設備的耗電量已經達到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。而辦公設備、網絡設備、服務器等的耗電量為970億千瓦時，相當于當年美國發電量的3%。
隨著互聯網的迅速普及，最近10年來信息設備的耗電量仍在迅速增加，網絡設備(如網絡控制器、交換機、路由器、寬帶調制解調器、無線接入設備等)的直接能耗和網絡引進的新能耗(如為了保持網絡聯通而引入的功率器件)使得信息設備的能耗出現了驚人的增長。在1999年，福布斯雜志預測互聯網用電在10年之內的年增長率將超過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，但真正使用的時間并不多。這樣，互聯網接入設備將長時間保持高能耗、高流量狀態，這就造成了很多的能源浪費。為了減少這種不合理的現象，業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，讓設備處于“深休眠”狀態，也就是當設備處于休眠狀態時，其消耗的電能極低。另外，還要尋求“快切換”技術，實現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。
目前已經有中國公司投入到了這個標準的研究，這對我國企業而言是非常重要的，因為，如果中國通信設備企業的產品不滿足這個標準，將來出口到歐美一些國家的時候就可能會遭遇“綠色壁壘”。
提高電網傳輸效率
我們已經看到了集成電路實現低功耗的重要性，那么，微電子技術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中的應用就是微電子技術為全社會節能降耗作出貢獻的一個實例。
據統計，全世界的發電總量在電網內部消耗了大約40%。根據美國能源部提供的數據，如果美國電網效率提高5%，所節約的能源相當于減少5300萬輛汽車產生的二氧化碳排放。
建設智能電網是提高電網輸電效率的有效手段，而電網的智能化對集成電路提出了更高的要求。智能電網要能夠感知系統過載并能分配電力，以防止系統故障或者使故障的影響最小。智能電網的一個特征是使用數字技術，包括用智能電表檢測電能消耗情況，通過網絡化的傳感器和計算機系統控制間歇工作的發電機，根據消費需求生產電能，從而提高傳輸效率。智能電網的另一個特征是允許分布式的替代能源(太陽能、風能、生物質能等)進入電網。據美國能源部預測，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。風力發電形成的是不穩定的交流電，需要用整流裝置將其轉換為直流電，再用逆變器轉換為電網可以接納的交流電之后輸送到電網中去。而太陽能電池發電形成的是直流電，同樣需要經逆變器的轉換之后才能并網。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過程中的計量則要依靠集成電路。
助力電動汽車產業化
傳統汽車采用汽油或柴油作為動力源，這種用發動機將化石能源直接轉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動的，電動車中充電管理和計量管理給微電子產業提供了機會。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、充電狀態均衡、穩定，這樣也可以讓電池長期保持在最佳的狀態，從而延長電池的壽命。
電動汽車的運營模式還在探索之中，很多公司希望在經營上將電動汽車與電池組分離，也就是說，由專業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，才能保證商業活動的正常進行。而在電量的計量方面，仍然是微電子產業的機會。
