能源效率：半導體21世紀的挑戰

　　提高能源利用的效率

　　為了確定節約能源的途徑，首先要了解能源消耗的形勢。圖1所示為美國能源消耗形勢圖。盡管該圖代表的是一個發達國家的情況，可能并不適用于全球，但是隨著新興經濟體的發展和繁榮，未來全球能源消耗很可能會呈現出相似的情況。半數的能源的消耗來自工業和商業，交通運輸略低于三分之一，剩余部分為民用消耗。

　　圖1.2008年美國能源消耗分布圖，半數的能源消耗來自工業和商業領域。

　　存在兩種互補的因素來降低能源消耗。其中之一為改變個人對能源消耗的認識以及生活方式;更加自覺和謹慎地對待能源浪費——減少汽車的使用，隨手關燈等等。第二是要降低最終產品的能源消耗。第一點為必要條件但不是充分條件，這是因為人們需要維持一定的生活質量，而這是以能源消耗為基礎的。隨著更多新興經濟體的涌現，更多的人將會購買電視機、電冰箱、洗衣機和汽車;因此能源消耗很可能會增加而不是降低——即使人們已經對能源浪費具備了謹慎和自覺的態度。因此，降低終端產品的能源消耗才是解決能源危機的關鍵。讓我們根據圖1逐一研究科學技術在各個領域對能源消耗的作用。

　　工業和商用

　　幾乎一半的能源消耗來自工業和商業領域。半導體技術能夠通過多種途徑對其產生影響。最主要的一個影響是改進電動機的工作效率，這占到全球工業耗電量的三分之二。芯片能夠使這些電動機工作在不同的速度之下，相對于勻速驅動，耗電量僅為八分之一。目前，僅有5%的電動機工作于不同的驅動速度，但是其所節省的電量已經相當于10座發電站的發電量。如果所有的電動機都能高效率的工作，我們將節省200座發電站的發電量。同樣重要的是對環境的影響，5%的高效率電動機已經減少了6800萬噸溫室氣體的排放。

　　數字化技術已經成為人們個人生活和工作的一部分。這些數字系統產生更高的電力需求。例如：2006年，位于美國的服務器和數據中心所消耗的電量接近610億千瓦時，相當于2001年消耗量的兩倍(圖2)。如果我們現在不采取措施，未來5年內，數據中心的耗電量還將提高一倍。盡管如此，通過半導體芯片和系統設計方面的創新，我們能夠將耗電量降低50%，盡管需求仍將加倍。半導體工業在降低能源消耗領域具有豐富的歷史。例如，早期的計算機設備，例如：ENIAC，重量超過30噸，耗電量為200kW。手提設備已經可以提供相同的功能，而重量僅為幾克，耗電量低于1W。

　　圖2.2006年，位于美國的服務器和數據中心耗電量相對于2001年將增加一倍，如果我們不采取相關措施，未來五年內耗電量還將提高一倍。隨著技術的進步，我們能將耗電量減少50%，即使需求量還將增加一倍。