半導(dǎo)體和軟件引領(lǐng)可持續(xù)發(fā)展之道

我們經(jīng)常聽到關(guān)于可持續(xù)發(fā)展的討論，但它到底是什么？

可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)

在《牛津英語詞典》中，可持續(xù)發(fā)展的最新定義是“環(huán)境上可持續(xù)的特性；在避免自然資源長期耗盡的同時(shí)，可以維持或繼續(xù)運(yùn)行某種過程或某家企業(yè)的程度?！边@是一個(gè)復(fù)雜的概念，有三個(gè)方面值得談?wù)摗?/p>

首先是影響。用最簡單的話來說，可持續(xù)發(fā)展關(guān)乎我們的子孫后代，關(guān)乎我們將給他們留下一個(gè)怎樣的世界1。我們經(jīng)常談?wù)摥h(huán)境，好像它是一種獨(dú)立的事物，但環(huán)境重要的原因在于我們?nèi)茧x不開它。很難想象有比這更重要的影響。作為工程師，讓世界變得更加美好不正是我們研發(fā)技術(shù)的意義所在嗎？這聽起來或許有些幼稚，但結(jié)合以下兩個(gè)方面考慮的話則不然。

其次是范圍。當(dāng)然，范圍是全球性的。我們可以改善本地環(huán)境，但要真正使世界變得更加美好，我們必須從全球角度去思考和行動(dòng)。這意味著我們可以超越國家邊界和政治的方式發(fā)展我們的技術(shù)，但仍在我們社會(huì)的價(jià)值結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)作。作為工程師，我們希望我們的技術(shù)在全球范圍內(nèi)使用，這意味著我們要了解業(yè)務(wù)，而不僅僅是技術(shù)。

最后是平衡。可持續(xù)發(fā)展意味著在環(huán)境、社會(huì)公平和經(jīng)濟(jì)之間達(dá)成平衡¹。我們生活在一個(gè)技術(shù)創(chuàng)造價(jià)值的世界中，但前提是人們可以使用技術(shù)。經(jīng)濟(jì)上的現(xiàn)實(shí)是，消費(fèi)者購買模式正在發(fā)生變化。實(shí)際上，任何被視為“綠色”的產(chǎn)品相比于同等的“非綠色”產(chǎn)品可能都有一個(gè)溢價(jià)。食品就是一個(gè)例子，諸如Whole Foods這樣的公司正是從綠色食品的溢價(jià)中獲利。但不止于此，可持續(xù)性可以增加我們的技術(shù)所創(chuàng)造的價(jià)值，汽車、半導(dǎo)體和軟件是下一個(gè)重要領(lǐng)域。

半導(dǎo)體和軟件比以往任何時(shí)候都重要

半導(dǎo)體在我們生活中的作用已然眾所周知。新冠大流行使世界的許多行業(yè)受到重創(chuàng)?，F(xiàn)在，隨著世界日漸走出大流行，我們看到消費(fèi)者需求急劇增長——從消費(fèi)電子到汽車等都是如此。供應(yīng)緊張，成本上升，市場動(dòng)蕩。半導(dǎo)體行業(yè)迎來重大反彈，年同比增長26%，年收入現(xiàn)已超過6000億美元²，相當(dāng)于地球上每個(gè)人每年近100美元。

全球半導(dǎo)體市場規(guī)模：從1990年到2022年（單位為十億美元）

如此顯著的增長是否意味著下跌即將來臨？目前還不清楚。但是，半導(dǎo)體市場歷經(jīng)多個(gè)經(jīng)濟(jì)周期，一直表現(xiàn)出很強(qiáng)的韌性。實(shí)際上，在過去的三十年中，半導(dǎo)體市場增長的平均復(fù)合年增長率超過8.5%。之所以有這種韌性，是因?yàn)榘雽?dǎo)體對電氣化、經(jīng)驗(yàn)、自動(dòng)化、通信等領(lǐng)域的大趨勢提供了日益強(qiáng)大且深刻的支持。

半導(dǎo)體行業(yè)很大，而芯片創(chuàng)造的價(jià)值則更大，估計(jì)達(dá)到數(shù)十萬億美元³，其原因在于芯片的工作方式。半導(dǎo)體芯片測量我們周圍的世界，處理信號，驅(qū)動(dòng)云計(jì)算，并使軟件能夠在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、汽車、工廠等環(huán)境中運(yùn)行。簡言之，沒有芯片，我們現(xiàn)在所依賴的大部分技術(shù)將不復(fù)存在。在芯片上運(yùn)行的軟件以及綠色溢價(jià)所帶來的額外價(jià)值，大大加強(qiáng)了技術(shù)的影響力。

ADI技術(shù)的影響

當(dāng)我們努力對可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極影響時(shí)，我們首先需要了解如何衡量它。影響不僅僅是我們使用自己的技術(shù)去做什么，而且包括客戶如何使用ADI技術(shù)來影響環(huán)境。溫室氣體(GHG)排放是衡量影響的一種方法。實(shí)際上，運(yùn)輸、建筑物/制造業(yè)和電力占全球溫室氣體總排放的74%⁴。

我們開發(fā)了一個(gè)模型來測算使用ADI技術(shù)的客戶能夠減少多少排放，如上圖所示。使用ADI技術(shù)的客戶到2025年有望每年減少2.5億噸的溫室氣體排放，到2030年有望減少近6億噸的溫室氣體排放。6億噸是什么概念呢？據(jù)估計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放的“凈零”平衡，世界每年需要減排510億噸⁴。當(dāng)然，還有其他類型的ADI技術(shù)也能產(chǎn)生影響，日后可以把這些技術(shù)添加進(jìn)來。但首先，我們來深入研究電氣化。

※   半導(dǎo)體和電氣化的增長

電氣化是一個(gè)寬泛的概念，不僅包括所有類型的電動(dòng)汽車(EV)，而且包括任何有插頭的東西。它還涵蓋了所有帶插頭的東西所連接的電網(wǎng)。從經(jīng)濟(jì)角度看，汽車行業(yè)正迅速成為對電網(wǎng)影響最顯著的因素之一。實(shí)際上，汽車行業(yè)正處于其歷史上最重要的變革階段。截至今天，所有主要OEM都宣布要將投資從汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛轉(zhuǎn)向電動(dòng)車輛。對于半導(dǎo)體和軟件公司來說，這是個(gè)好消息。

電動(dòng)汽車的半導(dǎo)體含量是內(nèi)燃機(jī)（汽油驅(qū)動(dòng)）汽車的3倍。

在接下來的5年，預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車將增長近8倍。

當(dāng)今汽車平均包含價(jià)值450美元的半導(dǎo)體部件。然而，電動(dòng)汽車平均包含的半導(dǎo)體價(jià)值是上述價(jià)值的大約3倍5。當(dāng)前，公路⁶上的電動(dòng)汽車有1600萬輛，在接下來的5年，預(yù)計(jì)這一數(shù)字將增長到1.25億以上。這意味著，您可以預(yù)期，在未來5到10年，所有汽車半導(dǎo)體中的一半將用在電動(dòng)汽車上。

而且，不僅是汽車中的硬件內(nèi)容在增長，軟件內(nèi)容同樣在大幅增長。到2030年，預(yù)計(jì)軟件將成為汽車行業(yè)最大的收入來源，甚至大于汽車銷售⁷。這種結(jié)構(gòu)性變化為ADI等公司創(chuàng)造半導(dǎo)體附加值提供了巨大機(jī)會(huì)。實(shí)際上，ADI現(xiàn)在已經(jīng)在獲取這種價(jià)值。例如，ADI最近推出的無線BMS技術(shù)建立在從頭開發(fā)的完整ADI平臺上，不僅包括硬件，而且包括全新的無線協(xié)議棧⁸。該系統(tǒng)支持無線更新，并實(shí)現(xiàn)了行業(yè)最高的安全評級。

從技術(shù)角度看，電池是電動(dòng)汽車的賦能系統(tǒng)。電動(dòng)汽車電池必須連接到電網(wǎng)才能充電，它們也可以用作儲能元件，以將能量放回電網(wǎng)中。消費(fèi)者、收費(fèi)公司和OEM如何償付這種能源的業(yè)務(wù)模式正在持續(xù)發(fā)展，您會(huì)看到生態(tài)系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)生變化。

ADI為充電電纜的兩端提供技術(shù)。在車輛方面，ADI是市場領(lǐng)先的半導(dǎo)體和軟件供應(yīng)商，其電池管理系統(tǒng)(BMS)負(fù)責(zé)電池、車輛推進(jìn)系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的電能傳輸。

電動(dòng)汽車的興起對電網(wǎng)的管理方式有重大影響。首先考慮電氣負(fù)載。1.25億輛電動(dòng)汽車的最大負(fù)載約為10TWh。這與世界總發(fā)電量的預(yù)期增長（從25,000到28,000TWh）⁹相比很小，但當(dāng)電動(dòng)汽車在基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，其負(fù)載在時(shí)間上和空間上都有獨(dú)特的動(dòng)態(tài)性。因此，不僅要求能夠處理總負(fù)載，還必須進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，從而向電網(wǎng)上的所有電氣設(shè)備無縫且零中斷地輸送電力。

在充電電纜的電網(wǎng)端，ADI提供精密測量、控制和實(shí)時(shí)信號處理技術(shù)。實(shí)際上，ADI技術(shù)已被用于世界上復(fù)雜度非常高的二次變電站，為電網(wǎng)邊緣增加智能，以確保可靠的電力輸送和電網(wǎng)管理¹⁰。隨著新的能源和新的負(fù)載的加入，電網(wǎng)變得越來越去中心化，噪聲越來越高，我們預(yù)期此類設(shè)備將成為新的標(biāo)準(zhǔn)。

最后，我們談?wù)勄鍧嵞茉?。盡管化石燃料將繼續(xù)滿足世界能源需求的一部分，但未來的大部分增長將由清潔能源實(shí)現(xiàn)。清潔能源使用量的爬升正在全球范圍內(nèi)發(fā)生，這不僅是由氣候協(xié)定推動(dòng)的，而且是由經(jīng)濟(jì)因素推動(dòng)的。太陽能和風(fēng)能要比石油便宜，相比于加汽油，電動(dòng)汽車消費(fèi)者更喜歡充電帶來的便利和省錢。

然而，清潔能源的特點(diǎn)是間歇式運(yùn)行，因此必須使用儲能系統(tǒng)進(jìn)行管理，使其平穩(wěn)地進(jìn)入電網(wǎng)。盡管儲能市場比電動(dòng)汽車市場要小得多，但儲能系統(tǒng)的增長速度超過電動(dòng)汽車生產(chǎn)的速度，并且依賴于針對特定使用場景定制的精密BMS。這項(xiàng)挑戰(zhàn)為ADI開發(fā)的精密和處理技術(shù)提供了重要機(jī)會(huì)。

■   10年后的電網(wǎng)

1. 電動(dòng)汽車充電樁

●   無處不在的交流和直流充電將使電網(wǎng)承壓

●   新興車輛到電網(wǎng)應(yīng)用

●   新能源市場將支持需求響應(yīng)

2. 電網(wǎng)自動(dòng)化

●   電氣化意味著電網(wǎng)負(fù)荷增加

●   需要技術(shù)來監(jiān)控和優(yōu)化功率流

●   新興需求響應(yīng)應(yīng)用將減輕電網(wǎng)壓力

●   需要快速精確地定位故障

3. 智能儀表

●   產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以監(jiān)控能量流動(dòng)

●   導(dǎo)致邊緣處理和洞察增多

●   支持更好地識別和定位故障

●   支持更好地利用電網(wǎng)

4. 分布式可再生能源

●   更多可再生能源的部署帶來電能質(zhì)量問題

●   較小慣性導(dǎo)致電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定

●   需要先進(jìn)的智能逆變器

讓未來加速到來

展望未來，我們看到半導(dǎo)體的減排影響給上游供應(yīng)鏈帶來壓力，迫使其隨著時(shí)間推移而變得更加環(huán)保。實(shí)現(xiàn)真正的零碳物料供應(yīng)對半導(dǎo)體而言十分困難。但是，占先機(jī)者將能獲得溢價(jià)。當(dāng)今的消費(fèi)者愿意為綠色產(chǎn)品支付更多費(fèi)用，預(yù)計(jì)半導(dǎo)體也是如此。所以，這個(gè)目標(biāo)值得追求。我們什么時(shí)候會(huì)看到零碳排放晶圓制造廠？或者零碳排放封裝？

還有其他舉措。例如，ADI基于其在BMS領(lǐng)域中的行業(yè)領(lǐng)先地位，正在制定一項(xiàng)新的重大計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的電池。ADI與合作伙伴一道對電池生命周期開展研究，以便檢測異常，監(jiān)控電池健康狀況，并評估電池離開車輛以后的梯次利用價(jià)值。這些成果對于行業(yè)、ADI和可持續(xù)發(fā)展途徑而言是激動(dòng)人心的新發(fā)展。

我們對地球的影響從未像如今這般重要。ADI的影響力使我們能夠保持行業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)頭羊的地位。我們正處于讓世界變得更具可持續(xù)發(fā)展能力的起步階段，而半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)的電氣化是加速實(shí)現(xiàn)“凈零”未來的關(guān)鍵技術(shù)。

參考

1“什么是可持續(xù)發(fā)展？”UCLA。

2 “Gartner宣稱全球半導(dǎo)體收入在2021年增長了26％?！盙artner, Inc.，2022年4月。

3 George Calhoun?！澳男┕驹诎雽?dǎo)體行業(yè)創(chuàng)造了最大的增值？（第1部分）。”Forbes，2021年9月。

4 Bill Gates。如何避免氣候?yàn)?zāi)難。Alfred A. Knopf，2021年2月。

5 Peter Brown。“汽車行業(yè)的半導(dǎo)體支出到2026年將上升55.6％?！盓lectronics360，2021年9月。

6 Fred Lambert?！半S著電動(dòng)汽車革命愈演愈烈，電動(dòng)汽車的全球市場份額在2021年增加了一倍以上?！盓lectrek，2022年2月。

7 “供應(yīng)鏈動(dòng)蕩如何重塑汽車行業(yè)?！盩he Economist，2022年6月12日。

8 “ADI公司為汽車行業(yè)推出用于電動(dòng)車生產(chǎn)的無線電池管理系統(tǒng)?！盉usiness Wire，2020年9月。

9 《2021年世界能源關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》，國際能源署，2021年9月

10 ADI公司和Gridspertise攜手合作提高全球智能電網(wǎng)的彈性和電氣化ADI公司，2022年3月。

關(guān)于作者

Patrick Morgan博士是ADI公司汽車部副總裁兼總經(jīng)理，同時(shí)擔(dān)任模擬/混合信號IC、軟件和系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)。Patrick在成功開發(fā)、推進(jìn)和管理汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)市場業(yè)務(wù)方面擁有超過25年的經(jīng)驗(yàn)。在此之前，他曾在NXP和Freescale Semiconductor公司工作，建立并增強(qiáng)公司在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中的地位。在加入Freescale之前，Patrick曾擔(dān)任Javelin Semiconductor（一家功率放大器初創(chuàng)公司）副總裁，4年來從公司成立到被Avago成功收購，一直引領(lǐng)著公司的發(fā)展。Patrick還負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)Silicon Labs無線產(chǎn)品，在21世紀(jì)初，公司的手機(jī)業(yè)務(wù)從零增長到10億美元以上。Patrick擁有七項(xiàng)專利以及斯坦福大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。