全球能源需求量的增長率已經遠遠高於傳統能源的供應
，但是，半導體行業能夠幫助改善能源生產
、輸送以及消耗環節的效率。 

   從cong遠yuan古gu時shi代dai開kai始shi，能neng源yuan就jiu已yi經jing成cheng為wei文wen明ming進jin步bu的de主zhu要yao推tui動dong力li。我wo們men的de祖zu先xian發fa現xian火huo能neng夠gou使shi他ta們men免mian於yu掠lve食shi者zhe的de傷shang害hai，溫wen暖nuan他ta們men居ju住zhu的de山shan洞dong，烹peng調tiao事shi物wu以yi及ji擴kuo展zhan居ju住zhu範fan圍wei。火huo是shi人ren類lei從cong石shi器qi時shi代dai向xiang青qing銅tong時shi代dai過guo渡du的de關guan鍵jian因yin素su，同tong樣yang對dui於yu18世紀出現的工業革命以及現代社會都是至關重要的
，人類通過蒸氣機將熱能轉化成機械能。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。 

   人類對於石油驅動的交通工具以及煤炭驅動的電力工業的依賴已經很長時間了。例如：當前美國90%以yi上shang的de能neng源yuan消xiao耗hao來lai自zi非fei可ke再zai生sheng資zi源yuan。盡jin管guan全quan球qiu不bu斷duan加jia強qiang對dui於yu清qing潔jie和he可ke再zai生sheng資zi源yuan的de關guan注zhu，仍reng然ran需xu要yao投tou入ru更geng多duo的de研yan發fa力li量liang才cai能neng使shi這zhe種zhong替ti代dai能neng源yuan成cheng為wei主zhu流liu。科ke學xue技ji術shu對dui於yu提ti高gao當dang前qian能neng源yuan利li用yong效xiao率lv，並bing將jiang可ke替ti代dai能neng源yuan從cong實shi驗yan室shi轉zhuan變bian到dao全quan球qiu範fan圍wei的de應ying用yong起qi著zhe關guan鍵jian性xing的de作zuo用yong。 

   全球能源麵臨的挑戰 

   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
，包括新興國家的經濟繁榮。例如：中國每年新增發電量為50~80GW
，這幾乎相當於英國全年的發電量。 

   能源需求量的增長對於經濟、環(huan)境(jing)還(hai)有(you)外(wai)交(jiao)政(zheng)策(ce)都(dou)提(ti)出(chu)了(le)挑(tiao)戰(zhan)。全(quan)球(qiu)能(neng)源(yuan)問(wen)題(ti)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)國(guo)際(ji)性(xing)的(de)廣(guang)泛(fan)的(de)策(ce)略(lve)來(lai)尋(xun)求(qiu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。這(zhe)些(xie)努(nu)力(li)來(lai)自(zi)政(zheng)府(fu)以(yi)及(ji)不(bu)同(tong)行(xing)業(ye)的(de)公(gong)司(si)企(qi)業(ye)。學(xue)術(shu)界(jie)和(he)研(yan)究(jiu)所(suo)也(ye)發(fa)揮(hui)了(le)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)我(wo)們(men)所(suo)麵(mian)臨(lin)的(de)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)需(xu)要(yao)前(qian)所(suo)未(wei)有(you)的(de)新(xin)方(fang)法(fa)才(cai)能(neng)解(jie)決(jue)。由(you)於(yu)我(wo)們(men)所(suo)麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)嚴(yan)峻(jun)且(qie)迫(po)切(qie)，因(yin)此(ci)
，需(xu)要(yao)協(xie)調(tiao)各(ge)方(fang)麵(mian)的(de)努(nu)力(li)

，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)浪(lang)費(fei)。 

   策略主要著眼於：  

   提高可再生資源在發電領域的使用率。  
   通過優化電力網絡改善電力輸送的效率。  
   提高工廠、建築

、設備
、計算機
、汽車以及其它產品的效率，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，半導體芯片幾乎成為所有領域創新背後的推動力。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%，而計算機係統更是提高了驚人的3,000,000%。2因此，與係統和服務供應商一起，半導體行業在全球能源問題方麵能夠起到非常重要的作用。

   發電領域：提高可再生資源的使用 

   學術界、工業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。半導體技術對於推動這些可再生資源的利用，並使其成為主流，發揮著重要的作用。 

   所有的能源都要先需要先將能量轉化為電能。例如：jiangtaiyangzhaoshedeguangzizhuanhuaweidianliu。xianeryijian
，nengliangzhuanhuadexiaolvyuegao，womennenggouyongyushengchandenengliangbianyueduo。xinpiantongchangnenggoubangzhutigaozhezhongzhuanhuanxiaolv。liru：使用先進的芯片技術能夠使太陽能轉換效率提高到20~40%。相比之下，目前實用的太陽能技術的轉化效率僅為5%。 

   相對於化石燃料
，可再生能源最大的挑戰是缺乏成本優勢。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製造成本——采用最新的技術，使半導體製造業能夠繼續遵循摩爾定律向前發展。對於納米材料
、namiqijianyijixiangguanjiagongzhizaojishudeyanjiuduiyucujintidairanliaozhizaojishudejinbuqidaoletuidongzuoyong。muqiantaiyangnengjishutongyangshijiyubandaotijishuzhongsuoyongdaodeguicailiao，bingqiemuqiangaozhuanhuaxiaolvdetaiyangnengdianchiyubandaotixinpianjiagongjishujuyouxiangsidexingshi。 

   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(zai)某(mou)一(yi)特(te)定(ding)地(di)點(dian)和(he)時(shi)間(jian)，太(tai)陽(yang)光(guang)或(huo)者(zhe)風(feng)的(de)強(qiang)度(du)。而(er)巧(qiao)妙(miao)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片(pian)和(he)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)能(neng)夠(gou)針(zhen)對(dui)這(zhe)種(zhong)可(ke)變(bian)性(xing)建(jian)立(li)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)
，從(cong)而(er)提(ti)前(qian)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)，降(jiang)低(di)供(gong)電(dian)部(bu)門(men)和(he)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)的(de)波(bo)動(dong)。
 
  降低電力輸送環節的損耗 

   統計結果表明，發電量的三分之二消耗於電力輸送環節。3conglingyigejiaodulaikan，yiweizheruguowomennenggoukongzhishudianhuanjiedesunhao
，biankeyizaibuxiaohaoewaiziyuandeqingkuangxia，huodeshuangbeidedianligongying。shijieshangjuedabufendeshudianwangluodouyoujishiniandelishile，youxieshenzhijiejinbainian。duiyuduoshuguojiaeryan

，dangwuzhijishijiangzhexiechenjiudedianwangshengjiwei“智能電網”，而科技在這個過程中扮演了推動力的作用。 

   保證電力輸送環節的可靠性和高效率是我們麵對的一項重要挑戰。僅美國一國，由於電力輸送可靠性問題所帶來的財產損失便高達2000億美元每年。4主要的問題在於，工程師很難發現電網中隱藏的問題。這主要歸咎於兩個方麵：第di一yi，工gong程cheng師shi迅xun速su且qie精jing確que發fa現xian問wen題ti的de能neng力li。第di二er
，快kuai速su分fen析xi和he計ji算suan從cong而er獲huo得de解jie決jue方fang案an的de能neng力li。而er傳chuan感gan器qi和he微wei處chu理li器qi芯xin片pian配pei合he優you化hua後hou的de係xi統tong和he軟ruan件jian能neng夠gou提ti供gong這zhe兩liang方fang麵mian的de能neng力li。 

   並且，芯片和係統級別的優化需要確定，如何在現場傳感器部分和中央控製部分之間分配計算處理能力。預計到2010年為止，美國全國電網隻有不到一半的部分能夠實現數字化
，這意味著電力節省的空間還很大。終極目標是實現一種名為“自治愈網絡”的輸電係統，該係統能夠診斷並修正自身存在的問題，通過複雜的片上集成係統（SoC）將感知、通訊、存儲和計算等功能集成到一起。通過將現有供電網絡升級到這種智能網絡，可望每年節省1000億美元的成本，節約能源達到千億瓦。 

   將這種芯片驅動的智能網絡集成到發電、輸送以及消耗領域將會產生更加驚人的作用。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。隨著這些替代能源在整體能源中所占比例的提高，能量存儲對於夜間、多雲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動的汽車將成為未來的解決方案。當電力工藝處於峰值時
，可以對車載電瓶進行充電——未wei來lai也ye可ke能neng使shi用yong氫qing燃ran料liao電dian池chi，而er當dang這zhe些xie可ke再zai生sheng資zi源yuan不bu足zu時shi
，車che載zai電dian瓶ping也ye能neng夠gou反fan向xiang的de向xiang輸shu電dian網wang絡luo供gong電dian。這zhe種zhong智zhi能neng網wang絡luo允yun許xu其qi用yong戶hu
，可ke能neng是shi商shang業ye用yong戶hu、工廠或者居民，更好的平衡能源消耗的供應和需求。智能網絡在能源 

   供應與消耗者之間實現了雙向、實時的信息流，並且可以通過價格信號或者其它某種機製來調節能源消耗的行為。 

   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suo示shi為wei美mei國guo能neng源yuan消xiao耗hao形xing勢shi圖tu。盡jin管guan該gai圖tu代dai表biao的de是shi一yi個ge發fa達da國guo家jia的de情qing況kuang，可ke能neng並bing不bu適shi用yong於yu全quan球qiu，但dan是shi隨sui著zhe新xin興xing經jing濟ji體ti的de發fa展zhan和he繁fan榮rong
，未wei來lai全quan球qiu能neng源yuan消xiao耗hao很hen可ke能neng會hui呈cheng現xian出chu相xiang似si的de情qing況kuang。半ban數shu的de能neng源yuan的de消xiao耗hao來lai自zi工gong業ye和he商shang業ye
，交jiao通tong運yun輸shu略lve低di於yu三san分fen之zhi一yi，剩sheng餘yu部bu分fen為wei民min用yong消xiao耗hao。  

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(jian)少(shao)汽(qi)車(che)的(de)使(shi)用(yong)，隨(sui)手(shou)關(guan)燈(deng)等(deng)等(deng)。第(di)二(er)是(shi)要(yao)降(jiang)低(di)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)的(de)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)。第(di)一(yi)點(dian)為(wei)必(bi)要(yao)條(tiao)件(jian)但(dan)不(bu)是(shi)充(chong)分(fen)條(tiao)件(jian)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)人(ren)們(men)需(xu)要(yao)維(wei)持(chi)一(yi)定(ding)的(de)生(sheng)活(huo)質(zhi)量(liang)，而(er)這(zhe)是(shi)以(yi)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)。隨(sui)著(zhe)更(geng)多(duo)新(xin)興(xing)經(jing)濟(ji)體(ti)的(de)湧(yong)現(xian)，更(geng)多(duo)的(de)人(ren)將(jiang)會(hui)購(gou)買(mai)電(dian)視(shi)機(ji)
、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 

   jihuyibandenengyuanxiaohaolaizigongyeheshangyelingyu。bandaotijishunenggoutongguoduozhongtujingduiqichanshengyingxiang。zuizhuyaodeyigeyingxiangshigaijindiandongjidegongzuoxiaolv，zhezhandaoquanqiugongyehaodianliangdesanfenzhier。xinpiannenggoushizhexiediandongjigongzuozaibutongdesuduzhixia，xiangduiyuyunsuqudong，haodianliangjinweibafenzhiyi。muqian，jinyou5%的電動機工作於不同的驅動速度，但是其所節省的電量已經相當於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。這些數字係統產生更高的電力需求。例如：2006年，位於美國的服務器和數據中心所消耗的電量接近610億千瓦時，相當於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，通過半導體芯片和係統設計方麵的創新
，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曆史。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，耗電量低於1W。  

   2006年，位於美國的服務器和數據中心耗電量相對於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。  

   邁向智能能源的未來 

   未來40年內，半導體芯片將會催化一場重要的能源變革

，涉及到發電、輸送以及消耗領域。這場變革將會比20nianqianjiyubandaotixinpiandehulianwanghewuxiantongxungengjiazhongyao。bandaotijishuduiyuyingduiquanqiunengyuanweijizhengzaifahuizhezhongyaodezuoyong


，bingqieyiyizhongduihuanjinggengweifuzedetaidupinghengnengyuandexuqiuhegongying。bandaotixinpianchixufazhanjianghuijinyibuchanshengxindebiange
，liru：使替代能源，先進的智能電力網絡以及電力驅動汽車成為可能，並得到普及。 

   快速采用先進技術來解決能源問題需要更多的研究經費以及對於環境學的研究，工業界
、政府以及研究所之間技術的合作。我們需要采取全麵的公共政策，包括對製造業和消費者進行稅收和其它激勵政策
；聯邦政府
、州和地區政府使用高能源效率的產品；增加政府對基礎研究的經費支持。如果我們激進的追求“智能能源”，我們將會像發明蒸汽機、內燃機那樣產生一次曆史性的變革。 
   全球的汽車消費者。  

高檔轎車配備了大量電子器件
，可以讓駕駛更加安全
、經濟並且舒適。

   半導體技術在混合燃料和電力驅動汽車中起到了關鍵性的作用。除了普遍存在於汽車中的電子設備之外
，混合燃料/電力驅動汽車還需要電壓轉換設備。通過功率IC來管理和控製這種電壓轉換，對於這係列芯片的研究對於混合燃料/電力驅動汽車至關重要。相對於傳統汽油驅動的汽車，混合燃料/電力驅動汽車具有更高的燃燒效率，並且二氧化碳排放量降低了33%。隨著科技的進步
，將產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——一種在家通過網絡與辦公室或客戶進行聯係的工作方式——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
，每年可以節省840百萬加侖的汽油。遠程辦公每年節省90～140億千瓦時的電力，這相當於一百萬戶美國家庭一年的電力消耗量。並且，每年還減少溫室氣體排放量約1400萬噸。 

   民用 

   最後，但絕不是不重要的，芯片開始對居民能源 

   消耗產生影響。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
，並且在全球範圍內，由於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，美國家庭數量預計將增長11%
，整體電力增長預計僅增長6%，這主要是由於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半導體技術對於提升先進的照明技術起到了重要的作用，控製常規熒光燈泡和發光二極管（LED）。LED本身就是半導體技術。 

   當我們的設備處於關斷狀態時，半導體技術能夠幫助降低待機功耗，這包括外部電源所產生的功耗
，例如：用yong於yu為wei無wu線xian電dian話hua提ti供gong電dian力li的de變bian壓ya器qi。由you於yu待dai機ji功gong耗hao隨sui時shi都dou會hui產chan生sheng
，並bing且qie我wo們men很hen多duo先xian進jin設she備bei都dou會hui產chan生sheng待dai機ji功gong耗hao
，因yin此ci，估gu計ji待dai機ji功gong耗hao將jiang占zhan到dao居ju民min能neng源yuan消xiao耗hao的de5～10%。 

   隨著“智能建築”的出現（圖4），我們將逐漸感受到半導體技術所產生巨大影響。智能房屋從幾年前的科幻小說變成了今天的現實
，其主要有以下幾個特點，例如：zhinengweichuliqixinpiankongzhifangwuneideshebei，geishuixitong，jiarehekongtiaoxitong。bingqie，pubiancunzaidechuanganqixinpianjinenggougenjuyundongkongzhidengguangzhaoming，younenggoubaozhengjumindeanquan。zhinengfangwuyunxujumintongguoInternet聯接的PC或者PDA來控製房間內大量的電子設備。  

智能房屋具有以下一些特點，例如：通過智能芯片控製房間內的家用電器、給水係統、加熱以及空調係統。

   智能房屋還配備有基於芯片技術的“智能儀表”，其能夠與智能電網實現信息交互。通過對能源需求進行管理
、降低能源浪費，這種信息交互能夠實現更佳的能源利用率——例如：鼓gu勵li在zai非fei用yong電dian高gao峰feng用yong電dian，這zhe樣yang既ji降jiang低di了le用yong電dian高gao峰feng的de負fu載zai，又you降jiang低di了le使shi用yong成cheng本ben。在zai某mou些xie實shi際ji情qing況kuang下xia
，消xiao費fei者zhe可ke以yi在zai用yong電dian高gao峰feng期qi間jian關guan閉bi一yi部bu分fen設she施shi，作zuo為wei交jiao換huan，供gong電dian部bu門men將jiang為wei其qi提ti供gong更geng低di的de使shi用yong費fei用yong。另ling外wai
，單dan位wei千qian瓦wa時shi的de用yong電dian費fei用yong可ke以yi隨sui著zhe時shi間jian改gai變bian

，這zhe樣yang消xiao費fei者zhe可ke以yi選xuan擇ze在zai低di費fei率lv的de時shi段duan使shi用yong。如ru果guo智zhi能neng房fang屋wu配pei備bei了le諸zhu如ru太tai陽yang能neng這zhe樣yang的de替ti代dai能neng源yuan，還hai可ke以yi在zai用yong電dian高gao峰feng期qi間jian向xiang電dian網wang供gong電dian，這zhe樣yang便bian可ke以yi進jin一yi步bu的de平ping衡heng供gong需xu關guan係xi。 

   邁向智能能源的未來 

   未來40年內
，半導體芯片將會催化一場重要的能源變革，涉及到發電
、輸送以及消耗領域。這場變革將會比20nianqianjiyubandaotixinpiandehulianwanghewuxiantongxungengjiazhongyao。bandaotijishuduiyuyingduiquanqiunengyuanweijizhengzaifahuizhezhongyaodezuoyong，bingqieyiyizhongduihuanjinggengweifuzedetaidupinghengnengyuandexuqiuhegongying。bandaotixinpianchixufazhanjianghuijinyibuchanshengxindebiange，liru：使替代能源，先進的智能電力網絡以及電力驅動汽車成為可能，並得到普及。 

   快速采用先進技術來解決能源問題需要更多的研究經費以及對於環境學的研究，工業界、政府以及研究所之間技術的合作。我們需要采取全麵的公共政策，包括對製造業和消費者進行稅收和其它激勵政策；聯邦政府、州和地區政府使用高能源效率的產品
；增加政府對基礎研究的經費支持。如果我們激進的追求“智能能源”，我們將會像發明蒸汽機

、內燃機那樣產生一次曆史性的變革。