半導體和軟件引領可持續(xù)發(fā)展之道

我們經常聽到關于可持續(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，可以維持或繼續(xù)運行某種過程或某家企業(yè)的程度?！边@是一個復雜的概念，有三個方面值得談論。

首先是影響。用最簡單的話來說，可持續(xù)發(fā)展關乎我們的子孫后代，關乎我們將給他們留下一個怎樣的世界1。我們經常談論環(huán)境，好像它是一種獨立的事物，但環(huán)境重要的原因在于我們全都離不開它。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)技術的意義所在嗎？這聽起來或許有些幼稚，但結合以下兩個方面考慮的話則不然。

其次是范圍。當然，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。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，但仍在我們社會的價值結構內運作。作為工程師，我們希望我們的技術在全球范圍內使用，這意味著我們要了解業(yè)務，而不僅僅是技術。

最后是平衡?？沙掷m(xù)發(fā)展意味著在環(huán)境、社會公平和經濟之間達成平衡¹。我們生活在一個技術創(chuàng)造價值的世界中，但前提是人們可以使用技術。經濟上的現實是，消費者購買模式正在發(fā)生變化。實際上，任何被視為“綠色”的產品相比于同等的“非綠色”產品可能都有一個溢價。食品就是一個例子，諸如Whole Foods這樣的公司正是從綠色食品的溢價中獲利。但不止于此，可持續(xù)性可以增加我們的技術所創(chuàng)造的價值，汽車、半導體和軟件是下一個重要領域。

半導體和軟件比以往任何時候都重要

半導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在，隨著世界日漸走出大流行，我們看到消費者需求急劇增長——從消費電子到汽車等都是如此。供應緊張，成本上升，市場動蕩。半導體行業(yè)迎來重大反彈，年同比增長26%，年收入現已超過6000億美元²，相當于地球上每個人每年近100美元。

全球半導體市場規(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，半導體市場歷經多個經濟周期，一直表現出很強的韌性。實際上，在過去的三十年中，半導體市場增長的平均復合年增長率超過8.5%。之所以有這種韌性，是因為半導體對電氣化、經驗、自動化、通信等領域的大趨勢提供了日益強大且深刻的支持。

半導體行業(yè)很大，而芯片創(chuàng)造的價值則更大，估計達到數十萬億美元³，其原因在于芯片的工作方式。半導體芯片測量我們周圍的世界，處理信號，驅動云計算，并使軟件能夠在計算機、手機、汽車、工廠等環(huán)境中運行。簡言之，沒有芯片，我們現在所依賴的大部分技術將不復存在。在芯片上運行的軟件以及綠色溢價所帶來的額外價值，大大加強了技術的影響力。

ADI技術的影響

當我們努力對可持續(xù)發(fā)展產生積極影響時，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去做什么，而且包括客戶如何使用ADI技術來影響環(huán)境。溫室氣體(GHG)排放是衡量影響的一種方法。實際上，運輸、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)了一個模型來測算使用ADI技術的客戶能夠減少多少排放，如上圖所示。使用ADI技術的客戶到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？據估計，為了實現溫室氣體排放的“凈零”平衡，世界每年需要減排510億噸⁴。當然，還有其他類型的ADI技術也能產生影響，日后可以把這些技術添加進來。但首先，我們來深入研究電氣化。

※   半導體和電氣化的增長

電氣化是一個寬泛的概念，不僅包括所有類型的電動汽車(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。從經濟角度看，汽車行業(yè)正迅速成為對電網影響最顯著的因素之一。實際上，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)動機車輛轉向電動車輛。對于半導體和軟件公司來說，這是個好消息。

電動汽車的半導體含量是內燃機（汽油驅動）汽車的3倍。

在接下來的5年，預計電動汽車將增長近8倍。

當今汽車平均包含價值450美元的半導體部件。然而，電動汽車平均包含的半導體價值是上述價值的大約3倍5。當前，公路⁶上的電動汽車有1600萬輛，在接下來的5年，預計這一數字將增長到1.25億以上。這意味著，您可以預期，在未來5到10年，所有汽車半導體中的一半將用在電動汽車上。

而且，不僅是汽車中的硬件內容在增長，軟件內容同樣在大幅增長。到2030年，預計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。這種結構性變化為ADI等公司創(chuàng)造半導體附加值提供了巨大機會。實際上，ADI現在已經在獲取這種價值。例如，ADI最近推出的無線BMS技術建立在從頭開發(fā)的完整ADI平臺上，不僅包括硬件，而且包括全新的無線協議棧⁸。該系統支持無線更新，并實現了行業(yè)最高的安全評級。

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

ADI為充電電纜的兩端提供技術。在車輛方面，ADI是市場領先的半導體和軟件供應商，其電池管理系統(BMS)負責電池、車輛推進系統和電網之間的電能傳輸。

電動汽車的興起對電網的管理方式有重大影響。首先考慮電氣負載。1.25億輛電動汽車的最大負載約為10TWh。這與世界總發(fā)電量的預期增長（從25,000到28,000TWh）⁹相比很小，但當電動汽車在基礎設施內部移動時，其負載在時間上和空間上都有獨特的動態(tài)性。因此，不僅要求能夠處理總負載，還必須進行實時管理，從而向電網上的所有電氣設備無縫且零中斷地輸送電力。

在充電電纜的電網端，ADI提供精密測量、控制和實時信號處理技術。實際上，ADI技術已被用于世界上復雜度非常高的二次變電站，為電網邊緣增加智能，以確?？煽康碾娏斔秃碗娋W管理¹⁰。隨著新的能源和新的負載的加入，電網變得越來越去中心化，噪聲越來越高，我們預期此類設備將成為新的標準。

最后，我們談談清潔能源。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現。清潔能源使用量的爬升正在全球范圍內發(fā)生，這不僅是由氣候協定推動的，而且是由經濟因素推動的。太陽能和風能要比石油便宜，相比于加汽油，電動汽車消費者更喜歡充電帶來的便利和省錢。

然而，清潔能源的特點是間歇式運行，因此必須使用儲能系統進行管理，使其平穩(wěn)地進入電網。盡管儲能市場比電動汽車市場要小得多，但儲能系統的增長速度超過電動汽車生產的速度，并且依賴于針對特定使用場景定制的精密BMS。這項挑戰(zhàn)為ADI開發(fā)的精密和處理技術提供了重要機會。

■   10年后的電網

1. 電動汽車充電樁

●   無處不在的交流和直流充電將使電網承壓

●   新興車輛到電網應用

●   新能源市場將支持需求響應

2. 電網自動化

●   電氣化意味著電網負荷增加

●   需要技術來監(jiān)控和優(yōu)化功率流

●   新興需求響應應用將減輕電網壓力

●   需要快速精確地定位故障

3. 智能儀表

●   產生更多數據以監(jiān)控能量流動

●   導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

4. 分布式可再生能源

●   更多可再生能源的部署帶來電能質量問題

●   較小慣性導致電網頻率不穩(wěn)定

●   需要先進的智能逆變器

讓未來加速到來

展望未來，我們看到半導體的減排影響給上游供應鏈帶來壓力，迫使其隨著時間推移而變得更加環(huán)保。實現真正的零碳物料供應對半導體而言十分困難。但是，占先機者將能獲得溢價。當今的消費者愿意為綠色產品支付更多費用，預計半導體也是如此。所以，這個目標值得追求。我們什么時候會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領域中的行業(yè)領先地位，正在制定一項新的重大計劃，旨在實現可持續(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，而半導體驅動的電氣化是加速實現“凈零”未來的關鍵技術。

參考

1“什么是可持續(xù)發(fā)展？”UCLA。

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

3 George Calhoun。“哪些公司在半導體行業(yè)創(chuàng)造了最大的增值？（第1部分）?！盕orbes，2021年9月。

4 Bill Gates。如何避免氣候災難。Alfred A. Knopf，2021年2月。

5 Peter Brown?！捌囆袠I(yè)的半導體支出到2026年將上升55.6％?！盓lectronics360，2021年9月。

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

7 “供應鏈動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)推出用于電動車生產的無線電池管理系統?！盉usiness Wire，2020年9月。

9 《2021年世界能源關鍵統計數據》，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的彈性和電氣化ADI公司，2022年3月。

關于作者

Patrick Morgan博士是ADI公司汽車部副總裁兼總經理，同時擔任模擬/混合信號IC、軟件和系統領導。Patrick在成功開發(fā)、推進和管理汽車、消費電子和工業(yè)市場業(yè)務方面擁有超過25年的經驗。在此之前，他曾在NXP和Freescale Semiconductor公司工作，建立并增強公司在先進駕駛輔助系統(ADAS)中的地位。在加入Freescale之前，Patrick曾擔任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，一直引領著公司的發(fā)展。Patrick還負責領導Silicon Labs無線產品，在21世紀初，公司的手機業(yè)務從零增長到10億美元以上。Patrick擁有七項專利以及斯坦福大學電氣工程博士學位。