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  • 物联网

    半导体和软件引领可持续发展之道

    2025China.cn   2023年02月09日

    我们经常听到关于可持续发展的讨论,但它到底是什么?

    可持续发展挑战

    在《牛津英语词典》中,可持续发展的最新定义是“环境上可持续的特性;在避免自然资源长期耗尽的同时,可以维持或继续运行某种过程或某家企业的程度。”这是一个复杂的概念,有三个方面值得谈论。

    首先是影响。用最简单的话来说,可持续发展关乎我们的子孙后代,关乎我们将给他们留下一个怎样的世界1。我们经常谈论环境,好像它是一种独立的事物,但环境重要的原因在于我们全都离不开它。很难想象有比这更重要的影响。作为工程师,让世界变得更加美好不正是我们研发技术的意义所在吗?这听起来或许有些幼稚,但结合以下两个方面考虑的话则不然。

    其次是范围。当然,范围是全球性的。我们可以改善本地环境,但要真正使世界变得更加美好,我们必须从全球角度去思考和行动。这意味着我们可以超越国家边界和政治的方式发展我们的技术,但仍在我们社会的价值结构内运作。作为工程师,我们希望我们的技术在全球范围内使用,这意味着我们要了解业务,而不仅仅是技术。

    最后是平衡。可持续发展意味着在环境、社会公平和经济之间达成平衡1。我们生活在一个技术创造价值的世界中,但前提是人们可以使用技术。经济上的现实是,消费者购买模式正在发生变化。实际上,任何被视为“绿色”的产品相比于同等的“非绿色”产品可能都有一个溢价。食品就是一个例子,诸如Whole Foods这样的公司正是从绿色食品的溢价中获利。但不止于此,可持续性可以增加我们的技术所创造的价值,汽车、半导体和软件是下一个重要领域。

    半导体和软件比以往任何时候都重要

    半导体在我们生活中的作用已然众所周知。新冠大流行使世界的许多行业受到重创。现在,随着世界日渐走出大流行,我们看到消费者需求急剧增长——从消费电子到汽车等都是如此。供应紧张,成本上升,市场动荡。半导体行业迎来重大反弹,年同比增长26%,年收入现已超过6000亿美元2,相当于地球上每个人每年近100美元。

    全球半导体市场规模:从1990年到2022年(单位为十亿美元)

    如此显著的增长是否意味着下跌即将来临?目前还不清楚。但是,半导体市场历经多个经济周期,一直表现出很强的韧性。实际上,在过去的三十年中,半导体市场增长的平均复合年增长率超过8.5%。之所以有这种韧性,是因为半导体对电气化、经验、自动化、通信等领域的大趋势提供了日益强大且深刻的支持。

    半导体行业很大,而芯片创造的价值则更大,估计达到数十万亿美元3,其原因在于芯片的工作方式。半导体芯片测量我们周围的世界,处理信号,驱动云计算,并使软件能够在计算机、手机、汽车、工厂等环境中运行。简言之,没有芯片,我们现在所依赖的大部分技术将不复存在。在芯片上运行的软件以及绿色溢价所带来的额外价值,大大加强了技术的影响力。

    ADI技术的影响

    当我们努力对可持续发展产生积极影响时,我们首先需要了解如何衡量它。影响不仅仅是我们使用自己的技术去做什么,而且包括客户如何使用ADI技术来影响环境。温室气体(GHG)排放是衡量影响的一种方法。实际上,运输、建筑物/制造业和电力占全球温室气体总排放的74%4

    我们开发了一个模型来测算使用ADI技术的客户能够减少多少排放,如上图所示。使用ADI技术的客户到2025年有望每年减少2.5亿吨的温室气体排放,到2030年有望减少近6亿吨的温室气体排放。6亿吨是什么概念呢?据估计,为了实现温室气体排放的“净零”平衡,世界每年需要减排510亿吨4。当然,还有其他类型的ADI技术也能产生影响,日后可以把这些技术添加进来。但首先,我们来深入研究电气化。

    ? 半导体和电气化的增长

    电气化是一个宽泛的概念,不仅包括所有类型的电动汽车(EV),而且包括任何有插头的东西。它还涵盖了所有带插头的东西所连接的电网。从经济角度看,汽车行业正迅速成为对电网影响最显著的因素之一。实际上,汽车行业正处于其历史上最重要的变革阶段。截至今天,所有主要OEM都宣布要将投资从汽油发动机车辆转向电动车辆。对于半导体和软件公司来说,这是个好消息。

    电动汽车的半导体含量是内燃机(汽油驱动)汽车的3倍。

    在接下来的5年,预计电动汽车将增长近8倍。

    当今汽车平均包含价值450美元的半导体部件。然而,电动汽车平均包含的半导体价值是上述价值的大约3倍5。当前,公路6上的电动汽车有1600万辆,在接下来的5年,预计这一数字将增长到1.25亿以上。这意味着,您可以预期,在未来5到10年,所有汽车半导体中的一半将用在电动汽车上。

    而且,不仅是汽车中的硬件内容在增长,软件内容同样在大幅增长。到2030年,预计软件将成为汽车行业最大的收入来源,甚至大于汽车销售7。这种结构性变化为ADI等公司创造半导体附加值提供了巨大机会。实际上,ADI现在已经在获取这种价值。例如,ADI最近推出的无线BMS技术建立在从头开发的完整ADI平台上,不仅包括硬件,而且包括全新的无线协议栈8。该系统支持无线更新,并实现了行业最高的安全评级。

    从技术角度看,电池是电动汽车的赋能系统。电动汽车电池必须连接到电网才能充电,它们也可以用作储能元件,以将能量放回电网中。消费者、收费公司和OEM如何偿付这种能源的业务模式正在持续发展,您会看到生态系统将继续发生变化。

    ADI为充电电缆的两端提供技术。在车辆方面,ADI是市场领先的半导体和软件供应商,其电池管理系统(BMS)负责电池、车辆推进系统和电网之间的电能传输。

    电动汽车的兴起对电网的管理方式有重大影响。首先考虑电气负载。1.25亿辆电动汽车的最大负载约为10TWh。这与世界总发电量的预期增长(从25,000到28,000TWh)9相比很小,但当电动汽车在基础设施内部移动时,其负载在时间上和空间上都有独特的动态性。因此,不仅要求能够处理总负载,还必须进行实时管理,从而向电网上的所有电气设备无缝且零中断地输送电力。

    在充电电缆的电网端,ADI提供精密测量、控制和实时信号处理技术。实际上,ADI技术已被用于世界上复杂度非常高的二次变电站,为电网边缘增加智能,以确保可靠的电力输送和电网管理10。随着新的能源和新的负载的加入,电网变得越来越去中心化,噪声越来越高,我们预期此类设备将成为新的标准。

    最后,我们谈谈清洁能源。尽管化石燃料将继续满足世界能源需求的一部分,但未来的大部分增长将由清洁能源实现。清洁能源使用量的爬升正在全球范围内发生,这不仅是由气候协定推动的,而且是由经济因素推动的。太阳能和风能要比石油便宜,相比于加汽油,电动汽车消费者更喜欢充电带来的便利和省钱。

    然而,清洁能源的特点是间歇式运行,因此必须使用储能系统进行管理,使其平稳地进入电网。尽管储能市场比电动汽车市场要小得多,但储能系统的增长速度超过电动汽车生产的速度,并且依赖于针对特定使用场景定制的精密BMS。这项挑战为ADI开发的精密和处理技术提供了重要机会。

    ? 10年后的电网

    1. 电动汽车充电桩

    ● 无处不在的交流和直流充电将使电网承压

    ● 新兴车辆到电网应用

    ● 新能源市场将支持需求响应

    2. 电网自动化

    ● 电气化意味着电网负荷增加

    ● 需要技术来监控和优化功率流

    ● 新兴需求响应应用将减轻电网压力

    ● 需要快速精确地定位故障

    3. 智能仪表

    ● 产生更多数据以监控能量流动

    ● 导致边缘处理和洞察增多

    ● 支持更好地识别和定位故障

    ● 支持更好地利用电网

    4. 分布式可再生能源

    ● 更多可再生能源的部署带来电能质量问题

    ● 较小惯性导致电网频率不稳定

    ● 需要先进的智能逆变器

    让未来加速到来

    展望未来,我们看到半导体的减排影响给上游供应链带来压力,迫使其随着时间推移而变得更加环保。实现真正的零碳物料供应对半导体而言十分困难。但是,占先机者将能获得溢价。当今的消费者愿意为绿色产品支付更多费用,预计半导体也是如此。所以,这个目标值得追求。我们什么时候会看到零碳排放晶圆制造厂?或者零碳排放封装?

    还有其他举措。例如,ADI基于其在BMS领域中的行业领先地位,正在制定一项新的重大计划,旨在实现可持续的电池。ADI与合作伙伴一道对电池生命周期开展研究,以便检测异常,监控电池健康状况,并评估电池离开车辆以后的梯次利用价值。这些成果对于行业、ADI和可持续发展途径而言是激动人心的新发展。

    我们对地球的影响从未像如今这般重要。ADI的影响力使我们能够保持行业创新领头羊的地位。我们正处于让世界变得更具可持续发展能力的起步阶段,而半导体驱动的电气化是加速实现“净零”未来的关键技术。

    参考

    1“什么是可持续发展?”UCLA。

    2 “Gartner宣称全球半导体收入在2021年增长了26%。”Gartner, Inc.,2022年4月。

    3 George Calhoun。“哪些公司在半导体行业创造了最大的增值?(第1部分)。”Forbes,2021年9月。

    4 Bill Gates。如何避免气候灾难。Alfred A. Knopf,2021年2月。

    5 Peter Brown。“汽车行业的半导体支出到2026年将上升55.6%。”Electronics360,2021年9月。

    6 Fred Lambert。“随着电动汽车革命愈演愈烈,电动汽车的全球市场份额在2021年增加了一倍以上。”Electrek,2022年2月。

    7 “供应链动荡如何重塑汽车行业。”The Economist,2022年6月12日。

    8 “ADI公司为汽车行业推出用于电动车生产的无线电池管理系统。”Business Wire,2020年9月。

    9 《2021年世界能源关键统计数据》,国际能源署,2021年9月

    10 ADI公司和Gridspertise携手合作提高全球智能电网的弹性和电气化ADI公司,2022年3月。

    关于作者

    Patrick Morgan博士是ADI公司汽车部副总裁兼总经理,同时担任模拟/混合信号IC、软件和系统领导。Patrick在成功开发、推进和管理汽车、消费电子和工业市场业务方面拥有超过25年的经验。在此之前,他曾在NXP和Freescale Semiconductor公司工作,建立并增强公司在先进驾驶辅助系统(ADAS)中的地位。在加入Freescale之前,Patrick曾担任Javelin Semiconductor(一家功率放大器初创公司)副总裁,4年来从公司成立到被Avago成功收购,一直引领着公司的发展。Patrick还负责领导Silicon Labs无线产品,在21世纪初,公司的手机业务从零增长到10亿美元以上。Patrick拥有七项专利以及斯坦福大学电气工程博士学位。

    (ADI)

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