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能源革命为微电子产业提供新机遇

数读市场中国仪表网2009年12月17日 09:26人气:4399

    在过去10年中,中国GDP与能耗基本上是同比例增加的。中国GDP要赶超美国,如果不走一条低能耗发展道路,未来是不可想象的。只有以新技术为支撑的、不以消耗资源为特征的先进制造业才是富民强国的基础。微电子产业将在能源革命中扮演重要的角色。

     能源问题对于中国和世界都是重要的话题。过去的30年,是中国经济飞速发展的30年,同时也是能耗快速增长的30年。能源短缺、气候暖化等诸多问题将对经济社会可持续发展带来负面影响。以集成电路芯片为核心的微电子产业将在能源革命中扮演重要的角色。

中国应走低能耗发展道路

    英国BP公司能源报告显示,在1977年,中国石油消耗量仅为163.8万桶/天,占全球石油消耗量的2.7%,而到2008年,中国石油消耗量增加到799.9万桶/天,占全球石油消耗量的比例也上升到9.6%。在1977年,中国煤炭消耗量占全球煤炭消耗量的30.2%,而到2008年,这一比例也上升到42.6%。2008年,中国的发电量已经达到34224亿千瓦时,占全球发电量的17%。

    在过去10年中,中国的GDP与能耗基本上是同比例增加的。从单位GDP(国内生产总值)的能耗来看,根据国家统计局提供的数据,当前中国1亿美元GDP所消耗的能源是12.03万吨标准煤,大约是日本的7.2倍,是德国的5.62倍,是美国的3.52倍,是印度的1.18倍,是世界平均水平的3.28倍。中国的GDP要赶超美国,如果不走一条低能耗的发展道路,未来是不可想象的。只有以新技术为支撑的、不以消耗资源为特征的先进制造业才是富民强国的基础。

加速信息设备节能化进程

     信息设备在给人们生活带来巨大便利的同时,也产生了很多新的能耗。在2000年,全球个人电脑、消费类电子、电话等设备的耗电量已经达到2000亿千瓦时,二氧化碳排放量达到1.5亿吨,相当于3000万辆小汽车的年排放量。而办公设备、网络设备、服务器等的耗电量为970亿千瓦时,相当于当年美国发电量的3%。

    随着互联网的迅速普及,最近10年来信息设备的耗电量仍在迅速增加,网络设备(如网络控制器、交换机、路由器、宽带调制解调器、无线接入设备等)的直接能耗和网络引进的新能耗(如为了保持网络联通而引入的功率器件)使得信息设备的能耗出现了惊人的增长。在1999年,福布斯杂志预测互联网用电在10年之内的年增长率将超过50%,当时很少有人相信这个判断,但从目前的情况看,的确是不幸被言中了。

    家用电脑的一个特点是长时间处于开启状态,但真正使用的时间并不多。这样,互联网接入设备将长时间保持高能耗、高流量状态,这就造成了很多的能源浪费。为了减少这种不合理的现象,业界不断寻求降低链路功耗的方法。一个可行的方法是利用高效的电源管理措施,让设备处于“深休眠”状态,也就是当设备处于休眠状态时,其消耗的电能极低。另外,还要寻求“快切换”技术,实现高码率和低码率之间的快速切换,并且保证在切换过程中不丢包。针对这些需求,美国提出了802.3az标准,新的集成电路将被要求满足这个标准。目前已经有中国公司投入到了这个标准的研究,这对我国企业而言是非常重要的,因为,如果中国通信设备企业的产品不满足这个标准,将来出口到欧美一些国家的时候就可能会遭遇“绿色壁垒”。

提高电网传输效率

    我们已经看到了集成电路实现低功耗的重要性,那么,微电子技术的应用对于全社会能耗的降低会有什么样的贡献呢?集成电路在智能电网中的应用就是微电子技术为全社会节能降耗作出贡献的一个实例。

    据统计,全世界的发电总量在电网内部消耗了大约40%。根据美国能源部提供的数据,如果美国电网效率提高5%,所节约的能源相当于减少5300万辆汽车产生的二氧化碳排放。

     建设智能电网是提高电网输电效率的有效手段,而电网的智能化对集成电路提出了更高的要求。智能电网要能够感知系统过载并能分配电力,以防止系统故障或者使故障的影响最小。智能电网的一个特征是使用数字技术,包括用智能电表检测电能消耗情况,通过网络化的传感器和计算机系统控制间歇工作的发电机,根据消费需求生产电能,从而提高传输效率。智能电网的另一个特征是允许分布式的替代能源(太阳能、风能、生物质能等)进入电网。据美国能源部预测,到2030年,风能将提供美国电力需求的20%,这也给集成电路和半导体功率器件提供了市场机会。风力发电形成的是不稳定的交流电,需要用整流装置将其转换为直流电,再用逆变器转换为电网可以接纳的交流电之后输送到电网中去。而太阳能电池发电形成的是直流电,同样需要经逆变器的转换之后才能并网。不论是整流器还是逆变器,其核心都是功率半导体器件。而分布式能源在输入电网过程中的计量则要依靠集成电路。

助力电动汽车产业化

    传统汽车采用汽油或柴油作为动力源,这种用发动机将化石能源直接转换为动力的方式其实是非常不科学的。如果我们将化石能源集中转换、分散使用,将大幅度地提高能源的使用效率,电动汽车就是基于这一理念而受到重视的。电动汽车是依靠可充电的锂离子电池进行驱动的,电动车中充电管理和计量管理给微电子产业提供了机会。为了避免高压充电,锂离子电池就不能采用恒流串联的充电方式,这时,就一定需要一个很复杂的电路来管理电池,使它能够平衡地、稳定地充电,直到充满。各个单体电池的电压、工作温度、充电状态均衡、稳定,这样也可以让电池长期保持在最佳的状态,从而延长电池的寿命。

     电动汽车的运营模式还在探索之中,很多公司希望在经营上将电动汽车与电池组分离,也就是说,由专业的充电公司向车主提供电池组,电动车可以开到一个充电站直接更换电池组。由此引出的一个问题是如何准确计量电池组的实际电量,只有做到了准确计量,才能保证商业活动的正常进行。而在电量的计量方面,仍然是微电子产业的机会。
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