能源危機和半導體技術

易　然

人類遭遇能源危機

火是人類最初的能源，用于取暖、熟食，甚至驅散猛獸。火的應用提高了人類的文明程度，熱量的提升，又使人類從石器時代進入了青銅器時代。適至18世紀英國工業革命，在蒸汽機的推動下建立起了現代文明社會，蒸汽機將熱能轉換為機械能，促進了大量生產。以后隨著火力發電廠的建設，石油的開采。汽油發動機的出現，核發電廠的應用，煤、石油、天然氣、鈾等自然資源不斷被開采出來，為人類提供能源。據美國能源部的報告，2003年世界的用電量為14.8萬億度，其中發達國家占29％，其余國家占71％，預計到2030年將翻一番多，達30.1萬億度。當前煤電仍占主導地位，天然氣電其次占20％，油電10％，其余為核、水、太陽、風等。但是，自然資源的蘊藏量都是有限的，按照今天的消費程度發展，預期到本世紀20～30年代人類即將遭遇到能源大危機。

解決之道何在?

因此，世界各國無不在為這一巨大難題而盡心竭力，探索一切可行的解決之道。從宏觀上講，實際不外兩種辦法：一是尋求可再生能源以取代現有天然資源：二是想方設法提高現用能源的效率和采取節約措施。前者包括水、風和太陽能，特別是太陽能近年尤其受到人們的注意。據統計，照到地球上1小時的太陽能即約等于全世界1年消耗的能量。太陽能利用最有效的方法，就是通過采用硅材料制成的太陽能電池。硅太陽能電池經過s0年的發展已取得了很大進步，它的轉換效率提高了近10倍，達到了11％～19％，成本降低了100倍、壽命超過20年，2008年世界市場規模已達180億美元。Gartner市場調查公司預測，到2013年間將以每年17％的速度快速增長，屆時將達340億美元，且翼發電量還僅僅占世界總發電量的百分之幾，前景無限廣闊，一片光明。

第二種解決方案是增效和節約，現有能源的方方面面都牽涉得到、下面將分別介紹。值得注意的是，不論開拓可再生能源還是增效、節能都離不開半導體技術的創新應用。據國外媒體報道，1978年以來30年間，半導體技術已使汽車的效率提高了40％、飛行客機提高了120％，照明提高了340％，計算機系統更是提高了3萬倍。

應用半導體技術是關鍵

電的傳輸

據報道，現在的電能大約三分之二在傳輸和配電過程中損失掉了。這是多么巨大的損失和節電機遇!世界大多數地方的電網已使用了幾十年甚至上百年，出了問題非但不好找，還不能迅速提出解決方案。針對這一困擾的首要改造任務是需將現有電網革新為“智能電網”(srllart grid)，所需革新技術包括傳感器、處理器、優化系統和軟件等。以美國而論，到2010年才有一半電網可實現數字化，理想的網絡是自復網(self-healing network)，能自己診斷故障和進行修復，這就需要復雜的片上系統，其上有傳感、通信、存儲和處理等功能。一且實現，每年即可節約千億美元，節電幾百千兆瓦。

工業用電

工業用電占世界總發電量的40％，是最大的用電部門。電機則又是工業用電最大戶、它占了工業用電的三分之二。如果采用半導體技術控制了電機速度，那就能使電機耗電下降至定速電機的八分之一。目前雖然只有5％的電機是變速驅動的，但即使如此，它的節電便已相當于5個發電廠發的電，如果所有發電機都提高了效率，那節電效果便可相當于200個發電廠。-此外，利用半導體技術進行控制，也可使太陽能電池板僅在晴天工作，風力發電機只在有風天工作，把電能儲存起來以供夜間、陰雨天和無風天應用。

數字技術已成為現代社會人們工作或生活中不可或缺的一部分。數字系統消費的電能日益增加。例如，2006年美國服務器和數據中心消費的電能達510億度，比2001年增長了一倍。如果無所作為，那么5年后數據中心消耗的電能還將翻番。不過，通過半導體芯片和設計技術的革新，就會使電能節省一半。半導體技術節能效果十分顯著，像世界首臺采用電子管的電子計算機ENIAC重30噸，耗電200kW，而今天具有同樣功能的半導體計算設備，小到可放在手心里，重不過幾克，耗電不足IW。

交通

在美國交通能耗約占其總能耗的近三成，而交通工具包括飛機、汽車和火車的增效和節能也都離不開半導體芯片。一輛高檔轎車配置的電動駕駛、引擎控制、防撞系統、通信導航、視聽娛樂、速度調節、輪胎壓力控制、車內冷暖供應、空氣清新等功能，使用戶進一步獲得安全、經濟和娛樂的享受，同時更加節油和改善環境，這些無一不使用到芯片，用于傳感、處理和存儲、有些車使用的微處理器已有百個之多。電子設備所占汽車成本日益提高，目前已達25％左右，汽車電子成為電子業開拓未來的重要市場之一。

電動汽車和混合燃料汽車更需半導體技術，車用電壓的改變，能源IC的大量應用，以及對它們的研究開發，相比傳統車將對節能做出更大的貢獻，并使二氧化碳的排放量減少30％以上。此外，通過通信和計算技術的進步，使得居家辦公成為現實，美國現已有近400萬員工居家上班。這可使每年節約8.4億加侖汽油、節電i00億度、減排二氧化碳1400萬噸。

居民用電

居民用電在美國占全部用電的三分之一，用量很大，但據預測，未來10年美國家庭數量將增長11％，而用電僅增加6％。原因也在于使用了半導體技術。照明用電是家庭用電之一，由于照明革新，采用半導體LED取代傳統照明，將使耗電量減少21％。同時，居民用電中的備用電源也是很費電的，無繩電話和越來越多的先進家電都有備用電源，且往往晝夜工作，因而據調查，美國備用電源竟占其家用總耗電量的5％～10％。

智能大樓在前幾年還不過是個夢想，可如今已成現實。智能大樓的能源智能化，使用微處理器控制家用電器及供暖、空調設備等。大量的傳感器用以控制許多有關設備，保證居民節電和安全。智能家庭還可使居民于任何地方通過聯網的電腦或個人數字助理來無線控制家中所有的電子設備。

美國最近在復蘇經濟的一攬子經濟刺激計劃中，就有430億美元款項是專門用來發展智能電網和先進電池產品，提高用電效率以及開發可再生能源等，可見美國政府對能源危機問題的重視程度。