能源效率：半导体21世纪的挑战

　　提高能源利用的效率

　　为了确定节约能源的途径，首先要了解能源消耗的形势。图1所示为美国能源消耗形势图。尽管该图代表的是一个发达国家的情况，可能并不适用于全球，但是随着新兴经济体的发展和繁荣，未来全球能源消耗很可能会呈现出相似的情况。半数的能源的消耗来自工业和商业，交通运输略低于三分之一，剩余部分为民用消耗。

　　图1.2008年美国能源消耗分布图，半数的能源消耗来自工业和商业领域。

　　存在两种互补的因素来降低能源消耗。其中之一为改变个人对能源消耗的认识以及生活方式;更加自觉和谨慎地对待能源浪费——减少汽车的使用，随手关灯等等。第二是要降低最终产品的能源消耗。第一点为必要条件但不是充分条件，这是因为人们需要维持一定的生活质量，而这是以能源消耗为基础的。随着更多新兴经济体的涌现，更多的人将会购买电视机、电冰箱、洗衣机和汽车;因此能源消耗很可能会增加而不是降低——即使人们已经对能源浪费具备了谨慎和自觉的态度。因此，降低终端产品的能源消耗才是解决能源危机的关键。让我们根据图1逐一研究科学技术在各个领域对能源消耗的作用。

　　工业和商用

　　几乎一半的能源消耗来自工业和商业领域。半导体技术能够通过多种途径对其产生影响。最主要的一个影响是改进电动机的工作效率，这占到全球工业耗电量的三分之二。芯片能够使这些电动机工作在不同的速度之下，相对于匀速驱动，耗电量仅为八分之一。目前，仅有5%的电动机工作于不同的驱动速度，但是其所节省的电量已经相当于10座发电站的发电量。如果所有的电动机都能高效率的工作，我们将节省200座发电站的发电量。同样重要的是对环境的影响，5%的高效率电动机已经减少了6800万吨温室气体的排放。

　　数字化技术已经成为人们个人生活和工作的一部分。这些数字系统产生更高的电力需求。例如：2006年，位于美国的服务器和数据中心所消耗的电量接近610亿千瓦时，相当于2001年消耗量的两倍(图2)。如果我们现在不采取措施，未来5年内，数据中心的耗电量还将提高一倍。尽管如此，通过半导体芯片和系统设计方面的创新，我们能够将耗电量降低50%，尽管需求仍将加倍。半导体工业在降低能源消耗领域具有丰富的历史。例如，早期的计算机设备，例如：ENIAC，重量超过30吨，耗电量为200kW。手提设备已经可以提供相同的功能，而重量仅为几克，耗电量低于1W。

　　图2.2006年，位于美国的服务器和数据中心耗电量相对于2001年将增加一倍，如果我们不采取相关措施，未来五年内耗电量还将提高一倍。随着技术的进步，我们能将耗电量减少50%，即使需求量还将增加一倍。