绿色设计——工程师不可回避的时代命题

       节约一张纸，少开一天车，出门随手关灯，更换节能电器……如今这些低碳生活方式已经处处可见。

       北京大学软件与微电子学院微纳电子发展战略研究室王永文主任表示，在后工业时代，人口的过度增长是造成能源过度消耗的主要原因，环境污染已经成为制约能源发展的主要因素。

       为此，人们开始将节能减排和环境保护工作提到了议事日程上来，各国都出台了包括环保法规、税收政策等节能减排的种种举措，并通过调整产业结构、资金投入、技术进步等手段来将节能减排付诸实施。

       而对于先进电子产品的设计工程师来说，如何采用更为先进的电子器件，为人类提供更为节能的电子产品，成为新在历史使命。

半导体技术为节能做出重大贡献

       集成电路的发明与产业发展将人类社会带进了信息时代，以集成电路为基础的信息产业已经成为世界第一大产业。与此同时，半导体技术在开发新能源、提高能源效率等方面都发挥着越来越重要的作用。美国节能经济委员会在2009年发表的《半导体技术美国能源生产力革新的希望》研究报告中指出，基于过去半导体技术对节能的贡献，预计到2030年全美将节省27%的能量。

图1：美国能源情报署对半导体产品为美国带来的节能效果预测
 
       据美国能源情报署预测，如继续保持电器产品的效率不变，那么到2030年，美国全年用电量将比使用节能型家电产品高出1.896×109kW•h；而如果政府大力支持节能家电的使用并推出相关政策的话，则还能够节省电力约1.242×109kW•h！

       以半导体技术推动下的智能电网为例，2008年中国社会用电总量近35000亿千瓦时，实现电网信息化之后，每年在配电输电用电等环节即可节约5%至10%的电力资源，节省价值近2000亿元人民币。



图2：智能电网的使用将为中国社会用电总量带来的降低效果预测

       据国网能源研究院电力供需实验室预测，2011-2020年，电网智能化可使全社会最高用电负荷下降约4900万kW，假设每下降1kW少建设1kVA变电容量，按3700元/kVA电网设备投资造价测算，可减少电网建设投资需求约1800亿元。
如此这般，半导体技术支撑下的智能社区、智能交通、智能家居、智能工厂等等，同样为节能型社会做出巨大贡献。

绿色设计渐成潮流

        对于应用电子工程师而言，“绿色设计”不仅仅意味着使用符合RoHS环保法规的元器件，更为重要的是设计出工作稳定、性能可靠、功能强大、质量优良、经济耐用的电子产品，以减少电子垃圾和废旧电池，这需要我们建立新的“绿色设计”理念，因此电子设计同样也要倡导“绿色设计”。

       安阳工学院电子信息与电气工程学院副院长秦长海教授认为，真正做到“绿色设计”并不容易，一方面要求工程师拥有深厚的设计理念和设计水平，同时要把它当成一种习惯。这需要从学生时代就要开始进行“绿色设计”理念的教育，养成节能为先的设计习惯。

 

       深圳资深应用电子工程戴上举表示，现在各种电子产品都有节能方面的市场准入标准，如果达不到标准就无法进入市场。这些也迫使工程师们要尽量选用低功耗的电子元器件，运用更为合理的电路设计来达到系统低功耗的目标，最终做到“绿色设计”。
 
       因此，不论是现在搞电子设计的工作者还是准备学习电子技术的初学者，在搞电子产品设计的同时，要倡导“绿色设计”的理念，设计出更多的“环保产品”和“节能产品”，这也是从事电子设计的工程师们为了保护地球应尽的特殊义务。

微控制器要当节能先锋

       应用电子工程师在实现绿色电子设计的过程中，离不开低功耗的电子零部件，作为电子系统的核心部件，微控制器当仁不让地成为节能先锋。

       工业和信息化部软件与集成电路促进中心集成电路部衣丰涛副主任表示，美国一个家庭中可能拥有24个或更多的微处理器芯片，一辆汽车中共包含50个甚至更多的微控制器。初步估算，一个家庭IT产品的能耗已经接近照明。

                        
工业和信息化部软件与集成电路促进中心集成电路部衣丰涛副主任

       以瑞萨电子、飞思卡尔、德州仪器、微芯科技、恩智浦为代表的跨国生产商，不断推出低功耗、高性能的微控制器产品，从而推动微控制器市场不断扩张。
据赛迪顾问半导体业务群总监李轲提供的数据显示，2010年中国MCU市场整体销售额高整增长30.5%，达到了218.5亿元人民币，预计未来三年持续保持快速增长态势，2013年销售额将达到328.7亿元人民币。

       因此，围绕微控制器来做好系统节能设计，成为工程师必须率先考虑的项目。
戴上举工程师用自己的开发经历证明，购买一款高性能、低功耗的微控制器替代原有器件，虽然单个器件的成本可能会增加，但是由于新型微控制器可能会减少其他元器件的数量，从而使总体成本得到降低，同时还得到了系统性能的提升。

       最后，用中国科学院院士、北京大学微电子研究院首席科学家王阳元的一段话作为本篇文章的结尾，王阳元院士在其主编的《绿色微纳电子学》一书中有这样一段论述：未来集成电路产业和科学技术发展的驱动力是降低功耗，不再仅以提高集成度即减小特征尺寸为技术节点，而以提高器件、电路与系统的性能与功耗比作为标。