隨著現(xiàn)代電子歷史出現(xiàn)的80多年，重點(diǎn)一直集中在怎樣使得商品更快、更小且更便宜。除了摩爾定律之外，沒有別的能夠更精確的捕捉到了時(shí)代的精髓。

　　現(xiàn)在，人們不斷對(duì)電子做出研究以便完成一些并非行業(yè)內(nèi)關(guān)注的任務(wù)，但是對(duì)地球未來(lái)卻有著重要影響的話題：減少能源消耗。更具體點(diǎn)說(shuō)，就是減少社會(huì)對(duì)化石燃料的依賴，例如石油和煤，以便二氧化碳的排放量---許多科學(xué)家都認(rèn)為二氧化碳是引起氣候變化的最主要因素。

　　電子技術(shù)的演進(jìn)和能源效率的關(guān)系引發(fā)了一種趨勢(shì)線，比摩爾定律還要深遠(yuǎn)。例如，當(dāng)今流行的筆記本電腦，相比20世紀(jì)50年代由千瓦時(shí)來(lái)衡量的真空管電腦來(lái)說(shuō)，其能效要高出許多。順應(yīng)此趨勢(shì)，有人認(rèn)為將會(huì)出現(xiàn)依靠周圍光照運(yùn)行的筆記本電腦，而不需要接入任何外接電源。

　　下面，我們來(lái)看看在目前功率變革中起著重要作用的五種電子技術(shù)。該列表并非是一個(gè)排名，也不是絕對(duì)的；而是一個(gè)創(chuàng)新的集合體，將為整個(gè)社會(huì)帶來(lái)一些不同的反響。

　　轉(zhuǎn)變：3D技術(shù)

　　想象一下，如果固態(tài)變革從未出現(xiàn)過(guò)，我們?nèi)稳簧钤陔娮庸艿氖澜?。我們現(xiàn)在所用的筆記本將會(huì)更加龐大（四個(gè)臥室那么大），還將需要非常大的電力來(lái)進(jìn)行同樣的操作---大約是現(xiàn)有時(shí)間的一萬(wàn)億倍多。

　　斯坦福大學(xué)顧問(wèn)教授、2009年一篇講述計(jì)算機(jī)能源使用和其性能關(guān)系的論文的合著者Jonathan Koomey指出，從50年代和60年代的電子管數(shù)字積分（ENIAC）時(shí)代到目前的微積分時(shí)代，千瓦時(shí)計(jì)算每隔1.6年就翻翻了。

　　根據(jù)Koomey的調(diào)查顯示，ENIAC運(yùn)行速率小于1 kiloflops（每秒運(yùn)行103個(gè)浮點(diǎn)）每千瓦時(shí)；而當(dāng)今的筆記本理論上講，運(yùn)行速率為1 petaflops（1015個(gè)浮點(diǎn)）每千瓦時(shí)。

　　英特爾早在五月就宣布推出了22納米微處理器3D“Trigate”晶體管，作為摩爾定律的延續(xù)體。英特爾指出，由于這種“Trigate”晶體管的創(chuàng)新鰭型構(gòu)架，使得其小號(hào)的能源只有32納米芯片2D平面晶體管的一半不到。并且這種晶體管體型更小、運(yùn)行速度更快、價(jià)格也更便宜…也更加節(jié)能。

　　試想在能源/性能趨勢(shì)線出現(xiàn)以前，Koomey相信它對(duì)移動(dòng)計(jì)算的演進(jìn)會(huì)有這深遠(yuǎn)的影響；尤其是對(duì)無(wú)線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)信息收集潛能的利用。

　　而這也并非是其全部真相。隨著數(shù)據(jù)中心不斷增加，它們進(jìn)行的操作也將越來(lái)越節(jié)能。近日，全球數(shù)據(jù)中心耗能約占全部電力消耗的1%。理論上講，在同等條件下，翻番使用3D晶體管IC架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心數(shù)量對(duì)整體能源需求影響不大。

　　Koomey指出，“想想我們現(xiàn)在擁有多么龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)。讓我們拭目以待吧。”

　　固態(tài)照明：LED帶來(lái)的巨大的能源節(jié)約

　　在過(guò)去的六年里，使用發(fā)光二極管或者有機(jī)發(fā)光二極管的固態(tài)照明（SSL）系統(tǒng)幾乎滲透到了所有的照明市場(chǎng)，從住宅和消費(fèi)照明到工業(yè)和商業(yè)照明市場(chǎng)。市場(chǎng)滲透率將不斷加速。

　　美國(guó)能源部規(guī)劃，在未來(lái)的20年內(nèi)，SSL將占有照明用用市場(chǎng)，而商業(yè)照明將引領(lǐng)照明變革。DOE預(yù)測(cè)，LED照明將在2025年取代80%的白熾燈具和鹵素?zé)艟摺?/p>

　　我們只需要看看沃爾瑪公司采用LED之后的情況。在2005年，全球最大的零售商沃爾瑪，每天盈利達(dá)10億之多；該公司在位于德克薩斯麥金尼的店鋪中的冷凍柜中安裝了首個(gè)LED照明系統(tǒng)。之后的數(shù)據(jù)顯示，該LED照明系統(tǒng)減少了該店鋪70%的能源消耗；散熱更低、壽命更長(zhǎng)、并節(jié)省了維護(hù)成本。

　　沃爾瑪開始擴(kuò)大其全球店鋪SSL的使用，包括在停車場(chǎng)也安裝LED燈具。沃爾瑪指出，該公司2009年將波多黎各22個(gè)停車位的燈具換成LEDs之后，節(jié)約了約800萬(wàn)千瓦時(shí)的電量。沃爾瑪大多數(shù)停車場(chǎng)照明燈具都是由位于美國(guó)北卡羅來(lái)納州亨德森維爾的通用電力公司生產(chǎn)。

　　各地加起來(lái)能節(jié)約80億千瓦時(shí)的能源。據(jù)美國(guó)能源部DOE估計(jì)，SSL的使用能在未來(lái)20年中能帶來(lái)的能源節(jié)約量將達(dá)到10.5到16.0quads。根據(jù)美國(guó)能源部的資料顯示1quad的能源相當(dāng)于290萬(wàn)人平均每年的能源消耗量，或者相當(dāng)于大概1.67億桶石油。

　　Cree公司LED元件部產(chǎn)品銷售經(jīng)理Paul Scheidt指出，“上述數(shù)據(jù)并沒有包括維護(hù)節(jié)約帶來(lái)的能源節(jié)約（和成本節(jié)約）”。Schedit將成本節(jié)約比喻為L(zhǎng)EDs“環(huán)境層面的另一半”。

　　Cree在今年早期宣布了低能耗、照明級(jí)LED，能夠替代在高產(chǎn)、小型應(yīng)用領(lǐng)域使用的35瓦至50瓦之間的鹵素?zé)艟摺?/p>

　　他指出，“如果您選擇購(gòu)買便宜的燈具，那么您將花費(fèi)更多的金錢---因?yàn)檫@種燈具將需要您投入更多。”

　　能量采集：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的催化劑

　　從一些未知的來(lái)源采集或清除能源的例子已經(jīng)存在很多年了。從點(diǎn)燃的氣球和自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的手表到由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局贊助的通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)可穿戴感應(yīng)器的項(xiàng)目等等，該領(lǐng)域充滿了各種不可思議的應(yīng)用。

　　可以通過(guò)各種途徑來(lái)獲取能源，包括振動(dòng)、聲音、電磁、熱、機(jī)械、運(yùn)動(dòng)以及壓力等。壓電、光電以及熱點(diǎn)元件都能用來(lái)將獲取的能量轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)。這些電子信號(hào)通常用毫瓦來(lái)測(cè)量；通過(guò)這些來(lái)源產(chǎn)生的電最終將淘汰掉電池，并排除任何設(shè)備對(duì)電力網(wǎng)的需求。

　　以色列公司Innowattech率先通過(guò)在路面和軌道中植入壓電晶體而獲取電能。由以色列鐵路安裝的發(fā)電原型在一節(jié)軌道上能獲取120kWh的電量；該節(jié)軌道每小時(shí)通車兩位10至20個(gè)10節(jié)車廂的火車。通過(guò)這種途徑獲取的電能可被用于信號(hào)燈或者上傳至輸電網(wǎng)。

　　這看上去似乎是一個(gè)垃圾桶，但是BigBelly Solar涉及的垃圾壓縮機(jī)實(shí)際上是一個(gè)無(wú)線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。這種無(wú)線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)太陽(yáng)能電池板驅(qū)動(dòng)，當(dāng)垃圾裝滿時(shí)，它會(huì)給垃圾起吊機(jī)傳遞信號(hào)，從而避免不必要的上門服務(wù)。

　　通過(guò)馬路產(chǎn)生電力是可行的，但是獲取電力最有效的方法或許是無(wú)線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。無(wú)需維護(hù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開始變革無(wú)數(shù)程序，例如遙控監(jiān)視和管理環(huán)境狀況、追蹤裝船出國(guó)的生菜的新鮮度、以及管理建筑屋的氣候控制系統(tǒng)等。由于這種網(wǎng)絡(luò)使得各種程序更簡(jiǎn)潔有效，它們將使得各種間接能源使用節(jié)省大量能量。

　　下面看看BigBelly Solar公司研發(fā)的只能垃圾回收系統(tǒng)；該系統(tǒng)已經(jīng)銷往全球30多個(gè)國(guó)家。這是一個(gè)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)垃圾壓縮機(jī)，在垃圾裝滿時(shí)，它會(huì)以信號(hào)方式通知垃圾起吊機(jī)。從而避免了垃圾車來(lái)進(jìn)行垃圾回收，因而減少了燃料使用并提高了生產(chǎn)率。

　　去年12月，Innowattech在以色列海法市一段軌道上安裝了嵌入式壓電晶體材料。當(dāng)列車經(jīng)過(guò)壓電晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電脈沖，從而能產(chǎn)生電量。該測(cè)試證明了，能夠通過(guò)這種機(jī)械能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控軌道狀況并可能用于動(dòng)力信號(hào)中。

　　正是由于無(wú)線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的這種潛能，能源采集市場(chǎng)增長(zhǎng)前途一片光明。根據(jù)IDTechEx市調(diào)公司顯示，元件銷售量在2011年達(dá)到了6.63億美元；該市場(chǎng)有望在未來(lái)五年內(nèi)規(guī)模翻番，到2021年將翻四倍。

　　超導(dǎo)電纜：智能電網(wǎng)引擎

　　當(dāng)今最緊迫的發(fā)電挑戰(zhàn)就是有效利用位于遠(yuǎn)離城市地區(qū)的可再生能源---例如，由美國(guó)紹斯維斯特太陽(yáng)能電廠生產(chǎn)的電能運(yùn)輸至西海岸的城市地區(qū)；或者由內(nèi)蒙古平原風(fēng)輪機(jī)生產(chǎn)的電能傳送至北京等。

　　目前這種“愚蠢的”電網(wǎng)主要依賴地面銅纜來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離電力傳輸。銅纜運(yùn)輸?shù)娜毕菰谟诼╇娐屎芨?。一般?lái)講，傳統(tǒng)的電網(wǎng)傳輸損失率為7%至10%，主要是由于銅線這種固有的電阻。這也證明了會(huì)有大量的溫室氣體排放到空氣中。

　　超導(dǎo)電纜導(dǎo)電幾乎沒有任何電量損失，在同樣的路徑上傳輸電量比銅纜要高達(dá)10倍之多。但是雖說(shuō)這種高溫超導(dǎo)體（HTS）電纜可能作為下一代傳輸線使用，它仍然面臨著許多難題：最重要的還是其高成本和進(jìn)行低溫冷卻的需要。

　　首個(gè)超導(dǎo)體電纜出現(xiàn)在美國(guó)。2006年，英國(guó)國(guó)家電力供應(yīng)公司和美國(guó)電力公司在紐約奧爾巴尼和哥倫布分別安裝了配電電壓HTS動(dòng)力電纜。2008年，長(zhǎng)島電力公司在其Holbrook電廠安裝了HTS傳輸電纜。該長(zhǎng)達(dá)2000英尺的LIPA電纜系統(tǒng)是使用法國(guó)液化空氣集團(tuán)（Air Liquide）生產(chǎn)的低溫冷卻技術(shù)。

　　紐約長(zhǎng)島電力公司在2008年4月運(yùn)行的世界首個(gè)超導(dǎo)體輸電電壓電纜系統(tǒng)中使用了美國(guó)超導(dǎo)公司的高溫超導(dǎo)體電纜。在全容量情況下，這個(gè)全球最高功率超導(dǎo)體系統(tǒng)能傳輸高達(dá)571兆瓦電量，可供30萬(wàn)戶家庭使用。

　　美國(guó)超導(dǎo)公司（AMSC）超導(dǎo)體電纜和系統(tǒng)業(yè)務(wù)行政董事Jack McCall指出，隨著美國(guó)能源部撤出了對(duì)超導(dǎo)體的資助，大多數(shù)示范項(xiàng)目和安裝項(xiàng)目都遷往海外，主要在中國(guó)、韓國(guó)和歐洲地區(qū)。

　　美國(guó)超導(dǎo)公司的安博瑞線纜（右）相比同類型銅線，其傳達(dá)的電流量是銅線的100多倍。和銅線相比，安博瑞高溫超導(dǎo)帶材電阻為零，在傳輸過(guò)程中沒有任何電量損失。

　　例如，AMSC在四月宣布，已經(jīng)在中國(guó)甘肅省白銀市一個(gè)變壓站安裝了其HTS電纜。首個(gè)AMSC HTS傳輸電纜將在這個(gè)夏天安裝在中國(guó)北京。

　　和中國(guó)一樣，韓國(guó)也有一系列示范項(xiàng)目使用了AMSC超導(dǎo)電纜。去年10月，AMSC宣布銷售了300買太儀表---大約銷售了50英里的超導(dǎo)電纜給韓國(guó)的LS Cable公司，該公司將生產(chǎn)HTS電纜并將在濟(jì)州島知名的智能電網(wǎng)項(xiàng)目中安裝這種HTS電纜。更具M(jìn)cCall透露，AMSC將提供HTS電纜來(lái)替換首爾現(xiàn)有的銅線供應(yīng)電纜；這種HTS電纜將增加六倍的有效功率而無(wú)需安裝任何電路。

　　金剛砂：提高各種設(shè)備的能源節(jié)約

　　電力電子在各種應(yīng)用中所提供的能源節(jié)約巨大。對(duì)于提高電力成分性能來(lái)說(shuō)，沒有任何材料能和金剛砂媲美。通過(guò)替換標(biāo)準(zhǔn)的硅元件---激光管和MOSFETs，而是用Sic元件，能極大的減少能量損失，從而達(dá)到更高效能源效能。

　　根據(jù)Cree數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)使用SiC Schottky 二極管，全球已經(jīng)節(jié)約了約6億美元的電量。這相當(dāng)于每年從三個(gè)燒煤發(fā)電廠或者65萬(wàn)輛汽車排放的二氧化碳量。這還只是個(gè)開始，SiC當(dāng)前還只占整個(gè)電力元件市場(chǎng)的1.5%。Cree預(yù)計(jì)由Sic帶來(lái)的能源節(jié)約，將相當(dāng)于每年排放3億噸二氧化碳或者240個(gè)燒煤發(fā)電廠所使用的能源。

　　事實(shí)上，通過(guò)使用Sic電源和二極管能帶來(lái)成千上萬(wàn)個(gè)能源節(jié)約機(jī)會(huì)。其中包括供電器、空調(diào)、變速汽車、家用電器產(chǎn)品、固態(tài)照明、電網(wǎng)變頻器、光伏發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEVs）的能源管理元件等。

　　在電網(wǎng)層面，如果在下一代固態(tài)變壓器中使用SiC能量元件，電網(wǎng)效率將增加8%至10%。豐田公司預(yù)計(jì)，如果所有的變頻器都是用SiCs的話，HEVs的燃料效率將提高10%。

　　大多數(shù)能量元件廠商包括SiC元件廠商都出于產(chǎn)品組合階段；還有SiC先驅(qū)Cree、Infineon、Rohm、STMicroelectronics以及其他供應(yīng)商等。當(dāng)前絕大部分供應(yīng)商都關(guān)注電源供應(yīng)市場(chǎng)，還有一些人把注意力投向了光伏逆變器市場(chǎng)，以及固體電路變壓器中的高壓應(yīng)用等。

　　Cree在一月就統(tǒng)計(jì)了行業(yè)首個(gè)合格的商業(yè)SiC電源金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），該MOSFET為高效節(jié)能電源開關(guān)制定了一個(gè)新的基準(zhǔn)。

　　早在今年，Cree就介紹了一款商業(yè)SiC電源MOSFET，用于光伏逆變器、高壓電源和工業(yè)電源應(yīng)用。三年前，德國(guó)Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems通過(guò)使用Cree的SiC MOSFET原型使光伏逆變器的效率達(dá)到了最大的98.5%。SiC元件據(jù)說(shuō)轉(zhuǎn)換更快；相比傳統(tǒng)的硅基晶體管而言，SiC元件正向偏置功率損失更小。

　　Cree也看到了SiC元件在電網(wǎng)層面的機(jī)遇。作為DARPA和Office of Naval Research 項(xiàng)目的一部分，Cree公司建立了一個(gè)10千伏、100安培的電源組。該電源組集成至美國(guó)通用電氣公司的設(shè)備中，用來(lái)生產(chǎn)能在20kHz條件下運(yùn)作的1MW變壓器。而能處理6.5kV的傳統(tǒng)變壓器只能在500Hz條件下運(yùn)作。為DARPA制作的變壓器高16英寸，重量為75磅。

　　Cree公司電源設(shè)備產(chǎn)品經(jīng)理Paul Kierstead指出，“我們的下一個(gè)目標(biāo)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS以及電動(dòng)汽車應(yīng)用。”

        其他：下一代綠色新能源

　　明日能源節(jié)約創(chuàng)新點(diǎn)將來(lái)源何處呢？答案在于大學(xué)。因?yàn)榇髮W(xué)確實(shí)是最有效的創(chuàng)新人才孵化器。

　　越來(lái)越多的大學(xué)已經(jīng)設(shè)立了各種學(xué)生競(jìng)賽，競(jìng)賽項(xiàng)目設(shè)計(jì)各種對(duì)人類有益的技術(shù)。包括一些特定的領(lǐng)域---例如地?zé)岷吞?yáng)能---而其他學(xué)校的選擇很自由。其中兩個(gè)最受關(guān)注的競(jìng)賽是MIT（麻省理工）清潔能源獎(jiǎng)和SETsquared 競(jìng)賽（由五所英國(guó)大學(xué)組成的：巴斯大學(xué)、布里斯托大學(xué)、埃克斯特大學(xué)、南安普敦大學(xué)以及薩里大學(xué)。）

　　今年的MIT清潔能源獎(jiǎng)得主從全美47所大學(xué)中的80位競(jìng)賽者中脫穎而出。MIT將之稱為最有競(jìng)爭(zhēng)力的一年，因?yàn)榻衲甑拇螵?jiǎng)為20萬(wàn)美元。

　　清潔能源獎(jiǎng)得主，最后在五名決賽者中選出，得主是CoolChip Technologies；該團(tuán)體研究的是將下一代節(jié)能微處理器冷卻系統(tǒng)引入消費(fèi)和數(shù)據(jù)處理中心。

　　根據(jù)CoolChip Technologies透露，這種專利散熱技術(shù)是“一種劃時(shí)代的CPU空基冷卻器；相比其他空基冷卻器，這種CPU空基冷卻器散熱能力更強(qiáng)且性能也更高。”從環(huán)保角度來(lái)講，這種技術(shù)將大幅度減少數(shù)據(jù)中心冷卻所使用的能量。

　　CoolChip Technologies的這種核心散熱技術(shù)，贏得了2011年20萬(wàn)美元的MIT清潔能源獎(jiǎng)大獎(jiǎng)。這種技術(shù)將大幅度減少數(shù)據(jù)中心冷卻所使用的能量，減少約40%的能量消耗。

　　根據(jù)CoolChip團(tuán)隊(duì)成員、MIT EECS博士William Sanchez消息，目前冷卻費(fèi)用約占主要數(shù)據(jù)中心一般的運(yùn)營(yíng)成本。如果使用該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)扇，該數(shù)據(jù)將減少40%。

　　其他四個(gè)MIT競(jìng)賽的決賽選手包括Ubiquitous Energy、Made in the Commonwealth、PK Clean以及LinkCycle；他們分別贏取了1.5萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。

　　Ubiquitous Energy 以其低價(jià)制造太陽(yáng)能電池的計(jì)劃而獲勝。該團(tuán)隊(duì)希望能研發(fā)一種太陽(yáng)能充電器，其尺寸和標(biāo)準(zhǔn)紙張一樣大，能夠用來(lái)在發(fā)展中國(guó)家離網(wǎng)地區(qū)為手機(jī)或者燈具充電。

　　PK Clean的專利技術(shù)是將廢棄的塑料轉(zhuǎn)換成燃料，從而能將成堆垃圾變成大量的油。這種專利技術(shù)將使得該團(tuán)隊(duì)進(jìn)入價(jià)值數(shù)萬(wàn)億的燃料市場(chǎng)。PK Clean團(tuán)隊(duì)計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)每天生產(chǎn)20噸燃料的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，為汽車和卡車生產(chǎn)燃料，每桶價(jià)值25美元至30美元。

　　Made in the Commonwealth計(jì)劃在馬薩諸塞州的一個(gè)新精煉廠為噴氣式飛機(jī)生產(chǎn)可再生燃料，以及為其他車輛生產(chǎn)汽油、柴油和天然氣。該團(tuán)隊(duì)由MIT工廠系統(tǒng)部一名研究生Matthew Pearlson領(lǐng)帶，希望在今年能夠籌集2000萬(wàn)美元開始生產(chǎn)這種燃料。

　　LinkCycle 以其簡(jiǎn)化商家對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行生命周期分析的流程的軟件包而贏得了MIT清潔能源獎(jiǎng)。商家無(wú)需雇傭?qū)I(yè)顧問(wèn)來(lái)分析其每個(gè)新產(chǎn)品的性能；他們只需使用LinkCycle的在線平臺(tái)（這種平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)適用于許多產(chǎn)品），從而使得產(chǎn)品分析便宜而且透明，同時(shí)簡(jiǎn)化了其驗(yàn)證過(guò)程。

　　SETsquared 為了參加MIT 2011年清潔能源大賽而收到了來(lái)自五所大學(xué)的7.5萬(wàn)名學(xué)生的申請(qǐng)。獲獎(jiǎng)?wù)呤茿listair Shepherd，是一名22歲來(lái)自南開普敦大學(xué)的航空航天專業(yè)研究生。

　　Shepherd獲獎(jiǎng)主要是因?yàn)樗ㄟ^(guò)研究船舶運(yùn)動(dòng)的波浪能，通過(guò)安裝在船身內(nèi)的一個(gè)裝置來(lái)將波浪能轉(zhuǎn)換成電能。由于這種裝置沒有浸入海水中，從而避免了像其他波浪能解決方案那樣容易損壞。

　　Shepherd指出，“波浪能發(fā)電將能取代全球無(wú)數(shù)船只的柴油輔助發(fā)電機(jī)，從而為船主節(jié)約成本并能減少二氧化碳排放量。”（翻譯：Oscar，編輯：Kevin）