能源危機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)

易　然

人類遭遇能源危機(jī)

火是人類最初的能源，用于取暖、熟食，甚至驅(qū)散猛獸?；鸬膽?yīng)用提高了人類的文明程度，熱量的提升，又使人類從石器時(shí)代進(jìn)入了青銅器時(shí)代。適至18世紀(jì)英國(guó)工業(yè)革命，在蒸汽機(jī)的推動(dòng)下建立起了現(xiàn)代文明社會(huì)，蒸汽機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，促進(jìn)了大量生產(chǎn)。以后隨著火力發(fā)電廠的建設(shè)，石油的開(kāi)采。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，核發(fā)電廠的應(yīng)用，煤、石油、天然氣、鈾等自然資源不斷被開(kāi)采出來(lái)，為人類提供能源。據(jù)美國(guó)能源部的報(bào)告，2003年世界的用電量為14.8萬(wàn)億度，其中發(fā)達(dá)國(guó)家占29％，其余國(guó)家占71％，預(yù)計(jì)到2030年將翻一番多，達(dá)30.1萬(wàn)億度。當(dāng)前煤電仍占主導(dǎo)地位，天然氣電其次占20％，油電10％，其余為核、水、太陽(yáng)、風(fēng)等。但是，自然資源的蘊(yùn)藏量都是有限的，按照今天的消費(fèi)程度發(fā)展，預(yù)期到本世紀(jì)20～30年代人類即將遭遇到能源大危機(jī)。

解決之道何在?

因此，世界各國(guó)無(wú)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(shí)際不外兩種辦法：一是尋求可再生能源以取代現(xiàn)有天然資源：二是想方設(shè)法提高現(xiàn)用能源的效率和采取節(jié)約措施。前者包括水、風(fēng)和太陽(yáng)能，特別是太陽(yáng)能近年尤其受到人們的注意。據(jù)統(tǒng)計(jì)，照到地球上1小時(shí)的太陽(yáng)能即約等于全世界1年消耗的能量。太陽(yáng)能利用最有效的方法，就是通過(guò)采用硅材料制成的太陽(yáng)能電池。硅太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)s0年的發(fā)展已取得了很大進(jìn)步，它的轉(zhuǎn)換效率提高了近10倍，達(dá)到了11％～19％，成本降低了100倍、壽命超過(guò)20年，2008年世界市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)180億美元。Gartner市場(chǎng)調(diào)查公司預(yù)測(cè)，到2013年間將以每年17％的速度快速增長(zhǎng)，屆時(shí)將達(dá)340億美元，且翼發(fā)電量還僅僅占世界總發(fā)電量的百分之幾，前景無(wú)限廣闊，一片光明。

第二種解決方案是增效和節(jié)約，現(xiàn)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(kāi)拓可再生能源還是增效、節(jié)能都離不開(kāi)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，1978年以來(lái)30年間，半導(dǎo)體技術(shù)已使汽車的效率提高了40％、飛行客機(jī)提高了120％，照明提高了340％，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更是提高了3萬(wàn)倍。

應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)是關(guān)鍵

電的傳輸

據(jù)報(bào)道，現(xiàn)在的電能大約三分之二在傳輸和配電過(guò)程中損失掉了。這是多么巨大的損失和節(jié)電機(jī)遇!世界大多數(shù)地方的電網(wǎng)已使用了幾十年甚至上百年，出了問(wèn)題非但不好找，還不能迅速提出解決方案。針對(duì)這一困擾的首要改造任務(wù)是需將現(xiàn)有電網(wǎng)革新為“智能電網(wǎng)”(srllart grid)，所需革新技術(shù)包括傳感器、處理器、優(yōu)化系統(tǒng)和軟件等。以美國(guó)而論，到2010年才有一半電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，理想的網(wǎng)絡(luò)是自復(fù)網(wǎng)(self-healing network)，能自己診斷故障和進(jìn)行修復(fù)，這就需要復(fù)雜的片上系統(tǒng)，其上有傳感、通信、存儲(chǔ)和處理等功能。一且實(shí)現(xiàn)，每年即可節(jié)約千億美元，節(jié)電幾百千兆瓦。

工業(yè)用電

工業(yè)用電占世界總發(fā)電量的40％，是最大的用電部門(mén)。電機(jī)則又是工業(yè)用電最大戶、它占了工業(yè)用電的三分之二。如果采用半導(dǎo)體技術(shù)控制了電機(jī)速度，那就能使電機(jī)耗電下降至定速電機(jī)的八分之一。目前雖然只有5％的電機(jī)是變速驅(qū)動(dòng)的，但即使如此，它的節(jié)電便已相當(dāng)于5個(gè)發(fā)電廠發(fā)的電，如果所有發(fā)電機(jī)都提高了效率，那節(jié)電效果便可相當(dāng)于200個(gè)發(fā)電廠。-此外，利用半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行控制，也可使太陽(yáng)能電池板僅在晴天工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)只在有風(fēng)天工作，把電能儲(chǔ)存起來(lái)以供夜間、陰雨天和無(wú)風(fēng)天應(yīng)用。

數(shù)字技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)人們工作或生活中不可或缺的一部分。數(shù)字系統(tǒng)消費(fèi)的電能日益增加。例如，2006年美國(guó)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心消費(fèi)的電能達(dá)510億度，比2001年增長(zhǎng)了一倍。如果無(wú)所作為，那么5年后數(shù)據(jù)中心消耗的電能還將翻番。不過(guò)，通過(guò)半導(dǎo)體芯片和設(shè)計(jì)技術(shù)的革新，就會(huì)使電能節(jié)省一半。半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)能效果十分顯著，像世界首臺(tái)采用電子管的電子計(jì)算機(jī)ENIAC重30噸，耗電200kW，而今天具有同樣功能的半導(dǎo)體計(jì)算設(shè)備，小到可放在手心里，重不過(guò)幾克，耗電不足IW。

交通

在美國(guó)交通能耗約占其總能耗的近三成，而交通工具包括飛機(jī)、汽車和火車的增效和節(jié)能也都離不開(kāi)半導(dǎo)體芯片。一輛高檔轎車配置的電動(dòng)駕駛、引擎控制、防撞系統(tǒng)、通信導(dǎo)航、視聽(tīng)娛樂(lè)、速度調(diào)節(jié)、輪胎壓力控制、車內(nèi)冷暖供應(yīng)、空氣清新等功能，使用戶進(jìn)一步獲得安全、經(jīng)濟(jì)和娛樂(lè)的享受，同時(shí)更加節(jié)油和改善環(huán)境，這些無(wú)一不使用到芯片，用于傳感、處理和存儲(chǔ)、有些車使用的微處理器已有百個(gè)之多。電子設(shè)備所占汽車成本日益提高，目前已達(dá)25％左右，汽車電子成為電子業(yè)開(kāi)拓未來(lái)的重要市場(chǎng)之一。

電動(dòng)汽車和混合燃料汽車更需半導(dǎo)體技術(shù)，車用電壓的改變，能源IC的大量應(yīng)用，以及對(duì)它們的研究開(kāi)發(fā)，相比傳統(tǒng)車將對(duì)節(jié)能做出更大的貢獻(xiàn)，并使二氧化碳的排放量減少30％以上。此外，通過(guò)通信和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，使得居家辦公成為現(xiàn)實(shí)，美國(guó)現(xiàn)已有近400萬(wàn)員工居家上班。這可使每年節(jié)約8.4億加侖汽油、節(jié)電i00億度、減排二氧化碳1400萬(wàn)噸。

居民用電

居民用電在美國(guó)占全部用電的三分之一，用量很大，但據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年美國(guó)家庭數(shù)量將增長(zhǎng)11％，而用電僅增加6％。原因也在于使用了半導(dǎo)體技術(shù)。照明用電是家庭用電之一，由于照明革新，采用半導(dǎo)體LED取代傳統(tǒng)照明，將使耗電量減少21％。同時(shí)，居民用電中的備用電源也是很費(fèi)電的，無(wú)繩電話和越來(lái)越多的先進(jìn)家電都有備用電源，且往往晝夜工作，因而據(jù)調(diào)查，美國(guó)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(guò)是個(gè)夢(mèng)想，可如今已成現(xiàn)實(shí)。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(diào)設(shè)備等。大量的傳感器用以控制許多有關(guān)設(shè)備，保證居民節(jié)電和安全。智能家庭還可使居民于任何地方通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的電腦或個(gè)人數(shù)字助理來(lái)無(wú)線控制家中所有的電子設(shè)備。

美國(guó)最近在復(fù)蘇經(jīng)濟(jì)的一攬子經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃中，就有430億美元款項(xiàng)是專門(mén)用來(lái)發(fā)展智能電網(wǎng)和先進(jìn)電池產(chǎn)品，提高用電效率以及開(kāi)發(fā)可再生能源等，可見(jiàn)美國(guó)政府對(duì)能源危機(jī)問(wèn)題的重視程度。