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)地球未來卻有著重要影響的話題：減少能源消耗。更具體點(diǎn)說，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)來衡量的真空管電腦來說，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，我們?nèi)稳簧钤陔娮庸艿氖澜纭Ｎ覀儸F(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進(jìn)行同樣的操作---大約是現(xiàn)有時(shí)間的一萬億倍多。

　　斯坦福大學(xué)顧問教授、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。讓我們拭目以待吧。”

　　固態(tài)照明：LED帶來的巨大的能源節(jié)約

　　在過去的六年里，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。

　　美國能源部規(guī)劃，在未來的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、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北卡羅來納州亨德森維爾的通用電力公司生產(chǎn)。

　　各地加起來能節(jié)約80億千瓦時(shí)的能源。據(jù)美國能源部DOE估計(jì)，SSL的使用能在未來20年中能帶來的能源節(jié)約量將達(dá)到10.5到16.0quads。根據(jù)美國能源部的資料顯示1quad的能源相當(dāng)于290萬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)約帶來的能源節(jié)約（和成本節(jié)約）”。Schedit將成本節(jié)約比喻為LEDs“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：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的催化劑

　　從一些未知的來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)的手表到由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局贊助的通過身體運(yùn)動(dòng)來驅(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。

　　可以通過各種途徑來獲取能源，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)通常用毫瓦來測(cè)量；通過這些來源產(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)無線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。這種無線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)太陽能電池板驅(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線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。無需維護(hù)的無線網(wǎng)絡(luò)開始變革無數(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)國家。這是一個(gè)太陽能驅(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。

　　正是由于無線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的這種潛能，能源采集市場(chǎng)增長前途一片光明。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，由美國紹斯維斯特太陽能電廠生產(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進(jìn)行長距離電力傳輸。銅纜運(yùn)輸?shù)娜毕菰谟诼╇娐屎芨?。一般來講，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。2006年，英國國家電力供應(yīng)公司和美國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，長島電力公司在其Holbrook電廠安裝了HTS傳輸電纜。該長達(dá)2000英尺的LIPA電纜系統(tǒng)是使用法國液化空氣集團(tuán)（Air Liquide）生產(chǎn)的低溫冷卻技術(shù)。

　　紐約長島電力公司在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30萬戶家庭使用。

　　美國超導(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、韓國和歐洲地區(qū)。

　　美國超導(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，在傳輸過程中沒有任何電量損失。

　　例如，AMSC在四月宣布，已經(jīng)在中國甘肅省白銀市一個(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)夏天安裝在中國北京。

　　和中國一樣，韓國也有一系列示范項(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說，沒有任何材料能和金剛砂媲美。通過替換標(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，通過使用Sic電源和二極管能帶來成千上萬個(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Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems通過使用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通用電氣公司的設(shè)備中，用來生產(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柲?--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（由五所英國大學(xué)組成的：巴斯大學(xué)、布里斯托大學(xué)、?？怂固卮髮W(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1.5萬美元的獎(jiǎng)金。

　　Ubiquitous Energy 以其低價(jià)制造太陽能電池的計(jì)劃而獲勝。該團(tuán)隊(duì)希望能研發(fā)一種太陽能充電器，其尺寸和標(biāo)準(zhǔn)紙張一樣大，能夠用來在發(fā)展中國家離網(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)。商家無需雇傭?qū)I(yè)顧問來分析其每個(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)證過程。

　　SETsquared 為了參加MIT 2011年清潔能源大賽而收到了來自五所大學(xué)的7.5萬名學(xué)生的申請(qǐng)。獲獎(jiǎng)?wù)呤茿listair Shepherd，是一名22歲來自南開普敦大學(xué)的航空航天專業(yè)研究生。

　　Shepherd獲獎(jiǎng)主要是因?yàn)樗ㄟ^研究船舶運(yùn)動(dòng)的波浪能，通過安裝在船身內(nèi)的一個(gè)裝置來將波浪能轉(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）