全球能源需求量的增長率已經(jīng)遠遠高于傳統(tǒng)能源的供應，但是，半導體行業(yè)能夠幫助改善能源生產(chǎn)、輸送以及消耗環(huán)節(jié)的效率。
從遠古時代開始，能源就已經(jīng)成為文明進步的主要推動力。我們的祖先發(fā)現(xiàn)火能夠使他們免于掠食者的傷害，溫暖他們居住的山洞，烹調(diào)事物以及擴展居住范圍。火是人類從石器時代向青銅時代過渡的關鍵因素，同樣對于18世紀出現(xiàn)的工業(yè)革命以及現(xiàn)代社會都是至關重要的，人類通過蒸氣機將熱能轉(zhuǎn)化成機械能。古代埃及人使用石油作為燃料，馬可波羅將“黑石”（煤）從中國帶回了歐洲。
人類對于石油驅(qū)動的交通工具以及煤炭驅(qū)動的電力工業(yè)的依賴已經(jīng)很長時間了。例如：當前美國90%以上的能源消耗來自非可再生資源。盡管全球不斷加強對于清潔和可再生資源的關注，仍然需要投入更多的研發(fā)力量才能使這種替代能源成為主流?？茖W技術對于提高當前能源利用效率，并將可替代能源從實驗室轉(zhuǎn)變到全球范圍的應用起著關鍵性的作用。
全球能源面臨的挑戰(zhàn)
全球能源需求的增長比供給——我們通常所說的化石燃料——的提高要快得多。美國能源部門預測全球能源需求量將以40%的速度增長，到2030年達到700quadrillionBTU（1015英國熱量單位）。1這種需求的不斷提高由很多因素決定，包括新興國家的經(jīng)濟繁榮。例如：中國每年新增發(fā)電量為50~80GW，這幾乎相當于英國全年的發(fā)電量。
能源需求量的增長對于經(jīng)濟、環(huán)境還有外交政策都提出了挑戰(zhàn)。全球能源問題需要一個國際性的廣泛的策略來尋求解決方案。這些努力來自政府以及不同行業(yè)的公司企業(yè)。學術界和研究所也發(fā)揮了重要的作用，這是因為我們所面臨的這些挑戰(zhàn)需要前所未有的新方法才能解決。由于我們所面臨的挑戰(zhàn)嚴峻且迫切，因此，需要協(xié)調(diào)各方面的努力，從而避免不必要的浪費。
策略主要著眼于：
提高可再生資源在發(fā)電領域的使用率。
通過優(yōu)化電力網(wǎng)絡改善電力輸送的效率。
提高工廠、建筑、設備、計算機、汽車以及其它產(chǎn)品的效率，從而降低耗電量。
科學技術在上述各個領域中起到了核心作用，讓我們能夠“消耗更少的能源，做更多的事情”，這樣人類便不會因為能源問題降低對美好生活的追求。最近幾十年內(nèi)，半導體芯片幾乎成為所有領域創(chuàng)新背后的推動力。自1978以來，IC使汽車的效率提高了40%，民用飛機的效率提高了121%，照明領域提高了339%，而計算機系統(tǒng)更是提高了驚人的3,000,000%。2因此，與系統(tǒng)和服務供應商一起，半導體行業(yè)在全球能源問題方面能夠起到非常重要的作用。
發(fā)電領域：提高可再生資源的使用
學術界、工業(yè)界以及政府都將焦點放到了可再生資源上。世界各地的研究人員都在針對如何利用太陽能、風能、生物能以及其它資源進行著研究。半導體技術對于推動這些可再生資源的利用，并使其成為主流，發(fā)揮著重要的作用。
所有的能源都要先需要先將能量轉(zhuǎn)化為電能。例如：將太陽照射的光子轉(zhuǎn)化為電流。顯而易見，能量轉(zhuǎn)化的效率越高，我們能夠用于生產(chǎn)的能量便越多。芯片通常能夠幫助提高這種轉(zhuǎn)換效率。例如：使用先進的芯片技術能夠使太陽能轉(zhuǎn)換效率提高到20~40%。相比之下，目前實用的太陽能技術的轉(zhuǎn)化效率僅為5%。
相對于化石燃料，可再生能源最大的挑戰(zhàn)是缺乏成本優(yōu)勢。目前最佳的太陽能能源成本比煤炭能源成本高2~3倍。半導體技術能夠幫助降低替代能源的制造成本——采用最新的技術，使半導體制造業(yè)能夠繼續(xù)遵循摩爾定律向前發(fā)展。對于納米材料、納米器件以及相關加工制造技術的研究對于促進替代燃料制造技術的進步起到了推動作用。目前太陽能技術同樣是基于半導體技術中所用到的硅材料，并且目前高轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池與半導體芯片加工技術具有相似的形式。
一些熱門的替代能源，例如：太陽能和風能，自身存在一定的可變性和不確定性——無法確切的作出預測，例如：在某一特定地點和時間，太陽光或者風的強度。而巧妙的半導體芯片和系統(tǒng)設計能夠針對這種可變性建立模型進行處理，從而提前進行補償，降低供電部門和最終用戶的波動。
降低電力輸送環(huán)節(jié)的損耗
統(tǒng)計結(jié)果表明，發(fā)電量的三分之二消耗于電力輸送環(huán)節(jié)。3從另一個角度來看，意味著如果我們能夠控制輸電環(huán)節(jié)的損耗，便可以在不消耗額外資源的情況下，獲得雙倍的電力供應。世界上絕大部分的輸電網(wǎng)絡都有幾十年的歷史了，有些甚至接近百年。對于多數(shù)國家而言，當務之急是將這些陳舊的電網(wǎng)升級為“智能電網(wǎng)”，而科技在這個過程中扮演了推動力的作用。
保證電力輸送環(huán)節(jié)的可靠性和高效率是我們面對的一項重要挑戰(zhàn)。僅美國一國，由于電力輸送可靠性問題所帶來的財產(chǎn)損失便高達2000億美元每年。4主要的問題在于，工程師很難發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中隱藏的問題。這主要歸咎于兩個方面：第一，工程師迅速且精確發(fā)現(xiàn)問題的能力。第二，快速分析和計算從而獲得解決方案的能力。而傳感器和微處理器芯片配合優(yōu)化后的系統(tǒng)和軟件能夠提供這兩方面的能力。
并且，芯片和系統(tǒng)級別的優(yōu)化需要確定，如何在現(xiàn)場傳感器部分和中央控制部分之間分配計算處理能力。預計到2010年為止，美國全國電網(wǎng)只有不到一半的部分能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，這意味著電力節(jié)省的空間還很大。終極目標是實現(xiàn)一種名為“自治愈網(wǎng)絡”的輸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠診斷并修正自身存在的問題，通過復雜的片上集成系統(tǒng)（SoC）將感知、通訊、存儲和計算等功能集成到一起。通過將現(xiàn)有供電網(wǎng)絡升級到這種智能網(wǎng)絡，可望每年節(jié)省1000億美元的成本，節(jié)約能源達到千億瓦。
將這種芯片驅(qū)動的智能網(wǎng)絡集成到發(fā)電、輸送以及消耗領域?qū)a(chǎn)生更加驚人的作用。例如：太陽能板在晴天工作，風力渦輪機在多風的天氣情況下運轉(zhuǎn)。隨著這些替代能源在整體能源中所占比例的提高，能量存儲對于夜間、多云或者無風天氣下電力的供應變得至關重要。
混合燃料型和電力驅(qū)動的汽車將成為未來的解決方案。當電力工藝處于峰值時，可以對車載電瓶進行充電——未來也可能使用氫燃料電池，而當這些可再生資源不足時，車載電瓶也能夠反向的向輸電網(wǎng)絡供電。這種智能網(wǎng)絡允許其用戶，可能是商業(yè)用戶、工廠或者居民，更好的平衡能源消耗的供應和需求。智能網(wǎng)絡在能源
供應與消耗者之間實現(xiàn)了雙向、實時的信息流，并且可以通過價格信號或者其它某種機制來調(diào)節(jié)能源消耗的行為。
提高能源利用的效率
為了確定節(jié)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(fā)達國家的情況，可能并不適用于全球，但是隨著新興經(jīng)濟體的發(fā)展和繁榮，未來全球能源消耗很可能會呈現(xiàn)出相似的情況。半數(shù)的能源的消耗來自工業(yè)和商業(yè)，交通運輸略低于三分之一，剩余部分為民用消耗。
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(chǎn)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(zhì)量，而這是以能源消耗為基礎的。隨著更多新興經(jīng)濟體的涌現(xiàn)，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(jīng)對能源浪費具備了謹慎和自覺的態(tài)度。因此，降低終端產(chǎn)品的能源消耗才是解決能源危機的關鍵。讓我們根據(jù)圖1逐一研究科學技術在各個領域?qū)δ茉聪牡淖饔谩?nbsp;
工業(yè)和商用
幾乎一半的能源消耗來自工業(yè)和商業(yè)領域。半導體技術能夠通過多種途徑對其產(chǎn)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(yè)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(qū)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(qū)動速度，但是其所節(jié)省的電量已經(jīng)相當于10座發(fā)電站的發(fā)電量。如果所有的電動機都能高效率的工作，我們將節(jié)省200座發(fā)電站的發(fā)電量。同樣重要的是對環(huán)境的影響，5%的高效率電動機已經(jīng)減少了6800萬噸溫室氣體的排放。
數(shù)字化技術已經(jīng)成為人們個人生活和工作的一部分。這些數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生更高的電力需求。例如：2006年，位于美國的服務器和數(shù)據(jù)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。如果我們現(xiàn)在不采取措施，未來5年內(nèi)，數(shù)據(jù)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(tǒng)設計方面的創(chuàng)新，我們能夠?qū)⒑碾娏拷档?0%，盡管需求仍將加倍。半導體工業(yè)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(jīng)可以提供相同的功能，而重量僅為幾克，耗電量低于1W。
2006年，位于美國的服務器和數(shù)據(jù)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(nèi)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。
邁向智能能源的未來
未來40年內(nèi)，半導體芯片將會催化一場重要的能源變革，涉及到發(fā)電、輸送以及消耗領域。這場變革將會比20年前基于半導體芯片的互聯(lián)網(wǎng)和無線通訊更加重要。半導體技術對于應對全球能源危機正在發(fā)揮著重要的作用，并且以一種對環(huán)境更為負責的態(tài)度平衡能源的需求和供應。半導體芯片持續(xù)發(fā)展將會進一步產(chǎn)生新的變革，例如：使替代能源，先進的智能電力網(wǎng)絡以及電力驅(qū)動汽車成為可能，并得到普及。
快速采用先進技術來解決能源問題需要更多的研究經(jīng)費以及對于環(huán)境學的研究，工業(yè)界、政府以及研究所之間技術的合作。我們需要采取全面的公共政策，包括對制造業(yè)和消費者進行稅收和其它激勵政策；聯(lián)邦政府、州和地區(qū)政府使用高能源效率的產(chǎn)品；增加政府對基礎研究的經(jīng)費支持。如果我們激進的追求“智能能源”，我們將會像發(fā)明蒸汽機、內(nèi)燃機那樣產(chǎn)生一次歷史性的變革。
全球的汽車消費者。
半導體技術在混合燃料和電力驅(qū)動汽車中起到了關鍵性的作用。除了普遍存在于汽車中的電子設備之外，混合燃料/電力驅(qū)動汽車還需要電壓轉(zhuǎn)換設備。通過功率IC來管理和控制這種電壓轉(zhuǎn)換，對于這系列芯片的研究對于混合燃料/電力驅(qū)動汽車至關重要。相對于傳統(tǒng)汽油驅(qū)動的汽車，混合燃料/電力驅(qū)動汽車具有更高的燃燒效率，并且二氧化碳排放量降低了33%。隨著科技的進步，將產(chǎn)生更進一步的性能改進。
芯片還能通過間接的方法減低交通領域的能源消耗——例如：遠程辦公。目前，越來越多的個體能夠承受得起更加先進的計算和通訊設備的成本，因此，遠程辦公——一種在家通過網(wǎng)絡與辦公室或客戶進行聯(lián)系的工作方式——逐漸為越來越多的人所接受。目前，將近四百萬的美國人通過遠程辦公的方式在家工作，每年可以節(jié)省840百萬加侖的汽油。遠程辦公每年節(jié)省90～140億千瓦時的電力，這相當于一百萬戶美國家庭一年的電力消耗量。并且，每年還減少溫室氣體排放量約1400萬噸。
民用
最后，但絕不是不重要的，芯片開始對居民能源
消耗產(chǎn)生影響。盡管居民能源消耗僅占到整體能源消耗的22%，但卻占到了美國電力消耗的三分之一，并且在全球范圍內(nèi)，由于消費者是商品和服務的主要用戶，這個比例還將快速提升。
從2008年到2018年，美國家庭數(shù)量預計將增長11%，整體電力增長預計僅增長6%，這主要是由于照明用電所消耗的能源降低了21%，這是居民用電的一大組成部分。7半導體技術對于提升先進的照明技術起到了重要的作用，控制常規(guī)熒光燈泡和發(fā)光二極管（LED）。LED本身就是半導體技術。
當我們的設備處于關斷狀態(tài)時，半導體技術能夠幫助降低待機功耗，這包括外部電源所產(chǎn)生的功耗，例如：用于為無線電話提供電力的變壓器。由于待機功耗隨時都會產(chǎn)生，并且我們很多先進設備都會產(chǎn)生待機功耗，因此，估計待機功耗將占到居民能源消耗的5～10%。
隨著“智能建筑”的出現(xiàn),我們將逐漸感受到半導體技術所產(chǎn)生巨大影響。智能房屋從幾年前的科幻小說變成了今天的現(xiàn)實，其主要有以下幾個特點，例如：智能微處理器芯片控制房屋內(nèi)的設備，給水系統(tǒng)，加熱和空調(diào)系統(tǒng)。并且，普遍存在的傳感器芯片既能夠根據(jù)運動控制燈光照明，又能夠保證居民的安全。智能房屋允許居民通過Internet聯(lián)接的PC或者PDA來控制房間內(nèi)大量的電子設備。
智能房屋還配備有基于芯片技術的“智能儀表”，其能夠與智能電網(wǎng)實現(xiàn)信息交互。通過對能源需求進行管理、降低能源浪費，這種信息交互能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的能源利用率——例如：鼓勵在非用電高峰用電，這樣既降低了用電高峰的負載，又降低了使用成本。在某些實際情況下，消費者可以在用電高峰期間關閉一部分設施，作為交換，供電部門將為其提供更低的使用費用。另外，單位千瓦時的用電費用可以隨著時間改變，這樣消費者可以選擇在低費率的時段使用。如果智能房屋配備了諸如太陽能這樣的替代能源，還可以在用電高峰期間向電網(wǎng)供電，這樣便可以進一步的平衡供需關系。
邁向智能能源的未來
未來40年內(nèi)，半導體芯片將會催化一場重要的能源變革，涉及到發(fā)電、輸送以及消耗領域。這場變革將會比20年前基于半導體芯片的互聯(lián)網(wǎng)和無線通訊更加重要。半導體技術對于應對全球能源危機正在發(fā)揮著重要的作用，并且以一種對環(huán)境更為負責的態(tài)度平衡能源的需求和供應。半導體芯片持續(xù)發(fā)展將會進一步產(chǎn)生新的變革，例如：使替代能源，先進的智能電力網(wǎng)絡以及電力驅(qū)動汽車成為可能，并得到普及。
快速采用先進技術來解決能源問題需要更多的研究經(jīng)費以及對于環(huán)境學的研究，工業(yè)界、政府以及研究所之間技術的合作。我們需要采取全面的公共政策，包括對制造業(yè)和消費者進行稅收和其它激勵政策；聯(lián)邦政府、州和地區(qū)政府使用高能源效率的產(chǎn)品；增加政府對基礎研究的經(jīng)費支持。如果我們激進的追求“智能能源”，我們將會像發(fā)明蒸汽機、內(nèi)燃機那樣產(chǎn)生一次歷史性的變革。
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