能源危机和半导体技术

人类遭遇能源危机

火是人类最初的能源，用于取暖、熟食，甚至驱散猛兽。火的应用提高了人类的文明程度，热量的提升，又使人类从石器时代进入了青铜器时代。迨至18世纪英国工业革命，在蒸汽机的推动下建立起了现代文明社会，蒸汽机将热能转换为机械能，促进了大量生产。以后随着火力发电厂的建设，石油的开采，汽油发动机的出现，核发电厂的应用，煤、石油、天然气、铀等自然资源不断被开采出来，为人类提供能源。据美国能源部的报告，2003年世界的用电量为14.8万亿度，其中发达国家占29%，其余国家占71%，预计到2030年将翻一番多，达30.1万亿度。当前煤电仍占主导地位，天然气电其次占20%，油电10%，其余为核、水、太阳、风等。但是，自然资源的蕴藏量都是有限的，按照今天的消费程度发展，预期到本世纪20~30年代人类即将遭遇到能源大危机。

解决之道何在?

因此，世界各国无不在为这一巨大难题而尽心竭力，探索一切可行的解决之道。从宏观上讲，实际不外两种办法：一是寻求可再生能源以取代现有天然资源;二是想方设法提高现用能源的效率和采取节约措施。前者包括水、风和太阳能，特别是太阳能近年尤其受到人们的注意。据统计，照到地球上1小时的太阳能即约等于全世界1年消耗的能量。太阳能利用最有效的方法，就是通过采用硅材料制成的太阳能电池。硅太阳能电池经过50年的发展已取得了很大进步，它的转换效率提高了近10倍，达到了11%~19%，成本降低了100倍，寿命超过20年，2008年世界市场规模已达180亿美元。Gartner市场调查公司预测，到2013年间将以每年17%的速度快速增长，届时将达340亿美元，且其发电量还仅仅占世界总发电量的百分之几，前景无限广阔，一片光明。

第二种解决方案是增效和节约，现有能源的方方面面都牵涉得到，下面将分别介绍。值得注意的是，不论开拓可再生能源还是增效、节能都离不开半导体技术的创新应用。据国外媒体报道，1978年以来30年间，半导体技术已使汽车的效率提高了40%，飞行客机提高了120%，照明提高了340%，计算机系统更是提高了3万倍。

应用半导体技术是关键

电的传输

据报道，现在的电能大约三分之二在传输和配电过程中损失掉了。这是多么巨大的损失和节电机遇!世界大多数地方的电网已使用了几十年甚至上百年，出了问题非但不好找，还不能迅速提出解决方案。针对这一困扰的首要改造任务是需将现有电网革新为"智能电网"(smart grid)，所需革新技术包括传感器、处理器、优化系统和软件等。以美国而论，到2010年才有一半电网可实现数字化，理想的网络是自复网(self-healing network)，能自己诊断故障和进行修复，这就需要复杂的片上系统，其上有传感、通信、存储和处理等功能。一旦实现，每年即可节约千亿美元，节电几百千兆瓦。

工业用电

工业用电占世界总发电量的40%，是最大的用电部门。电机则又是工业用电最大户，它占了工业用电的三分之二。如果采用半导体技术控制了电机速度，那就能使电机耗电下降至定速电机的八分之一。目前虽然只有5%的电机是变速驱动的，但即使如此，它的节电便已相当于5个发电厂发的电，如果所有发电机都提高了效率，那节电效果便可相当于200个发电厂。此外，利用半导体技术进行控制，也可使太阳能电池板仅在晴天工作，风力发电机只在有风天工作，把电能储存起来以供夜间、阴雨天和无风天应用。

数字技术已成为现代社会人们工作或生活中不可或缺的一部分。数字系统消费的电能日益增加。例如，2006年美国服务器和数据中心消费的电能达510亿度，比2001年增长了一倍。如果无所作为，那么5年后数据中心消耗的电能还将翻番。不过，通过半导体芯片和设计技术的革新，就会使电能节省一半。半导体技术节能效果十分显着，像世界首台采用电子管的电子计算机ENIAC重30吨，耗电200kW，而今天具有同样功能的半导体计算设备，小到可放在手心里，重不过几克，耗电不足1W。

交通

在美国交通能耗约占其总能耗的近三成，而交通工具包括飞机、汽车和火车的增效和节能也都离不开半导体芯片。一辆高档轿车配置的电动驾驶、引擎控制、防撞系统、通信导航、视听娱乐、速度调节、轮胎压力控制、车内冷暖供应、空气清新等功能，使用户进一步获得安全、经济和娱乐的享受，同时更加节油和改善环境，这些无一不使用到芯片，用于传感、处理和存储，有些车使用的微处理器已有百个之多。电子设备所占汽车成本日益提高，目前已达25%左右，汽车电子成为电子业开拓未来的重要市场之一。

电动汽车和混合燃料汽车更需半导体技术，车用电压的改变，能源IC的大量应用，以及对它们的研究开发，相比传统车将对节能做出更大的贡献，并使二氧化碳的排放量减少30%以上。此外，通过通信和计算技术的进步，使得居家办公成为现实，美国现已有近400万员工居家上班，这可使每年节约8.4亿加仑汽油、节电100亿度、减排二氧化碳1400万吨。