Przemysł półprzewodnikowy zaczyna oszczędzanie

Większość światowych ekspertów zgadza się, że zmiany klimatu są wynikiem działalności człowieka. Szacuje się, że zużycie energii w 2050 roku ulegnie podwojeniu, więc ilość emitowanego CO₂ również znacznie wzrośnie. Rozwiązanie tego problemu starają się znaleźć politycy oraz przedstawiciele przemysłu. Według zapewnień jednego z dyrektorów generalnych Siemensa nie jest opłacalne wstrzymywanie się i czekanie na dalszy rozwój wypadków.

Obecnie większość krajów zgodziła się na zredukowanie emisji gazów cieplarnianych. Co więcej, protokół z Kioto wymaga, aby kraje Unii Europejskiej zredukowały ilość wytarzanego CO₂ corocznie o 5,2% do 2012 roku. Urządzenia elektroniczne mogą odegrać znaczącą rolę w tej kwestii, co podkreślają również organizacje niemające związku z przemysłem, takie jak Greenpeace. Układy półprzewodnikowe mają znaczący wpływ na proces wytwarzania oraz dystrybucji energii i są w stanie zwiększyć jego efektywność. Przykładowo, stosując tyrystory dużej mocy, można budować linie energetyczne w oparciu o system HVDC (patrz ramka) do przesyłania energii na duże odległości. Technologia ta pozwala zredukować straty mocy o 40% w stosunku do standardowych linii wysokiego napięcia z napięciem przemiennym.

Innym działaniem pozwalającym zmniejszyć straty i poprawić efektywność dystrybucji energii jest tworzenie tzw. inteligentnych sieci (smart grid – patrz ramka). Zagadnienie to obejmuje szereg aspektów, jakie muszą być spełnione, aby ułatwić zintegrowanie małych, zdecentralizowanych generatorów prądu takich jak ogniwa fotowoltaiczne. Wiąże się z tym konieczność zapewnienia możliwości komunikacji pomiędzy poszczególnymi zespołami urządzeń wchodzącymi w skład takiej sieci i tym samym wymaga dużych inwestycji w elementy półprzewodnikowe, które są w stanie zrealizować założone funkcje.

Znaczącymi odbiorcami energii elektrycznej jest przemysł, który według szacunków wykorzystuje 65% pobieranej energii na zasilanie wszelkiego rodzaju silników. Jest to obszar zastosowań dający duże możliwości wprowadzania optymalizacji. Zastosowanie elektronicznych sterowników i kontrola procesów przemysłowych z poziomu oprogramowania pozwoli znacznie zredukować moc pobieraną z elektrowni. Według wyliczeń Energy Technology Group zrzeszonej z niemiecką organizacją VDE (Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik) zastosowanie najnowszych technologii w przemyśle do sterowania silników może przynieść oszczędność energii na poziomie 10%. Przykładowo wymiana mechanicznych zaworów stosowanych obecnie w procesach technologicznych na elektroniczne odpowiedniki odpowiedzialne za kontrolę pracy silników pozwoli zaoszczędzić 30% energii.

Znaczący problem stanowi również sektor technologii informacyjnej. Centra danych oraz jednostki obliczeniowe stosowane w korporacjach są odpowiedzialne w większym stopnie za emisję CO₂ niż powszechnie krytykowany sektor transportu. Paradoksem jest jednak, że urządzenia, bez których nie byłoby elektronicznego przetwarzania danych, mogą wnieść swój wkład w rozwiązanie tego problemu. Dzisiejsze energooszczędne procesory zużywają pięciokrotnie mniej energii niż ich odpowiedniki sprzed pięciu lat. Przykładowo procesor wyprodukowany pół dekady temu zużywał do 100W mocy, podczas gdy dzisiejsze rozwiązania potrzebują jedynie 65W. Istnieją rozwiązania jeszcze bardziej oszczędne, takie jak procesor Atom produkowany przez Intela. Zużywana przez niego moc mieści się w granicach od 4 do 8W.

Wszelkiego rodzaju pojazdy mechaniczne są nierozłącznie związane z silnym zanieczyszczaniem środowiska. Dostępne na ten temat dane nie są spójne, jednakże eksperci zgadzają się, że elektroniczny nadzór pracy silników jest niezbędny. Od roku 1990 poprawiono efektywność spalania paliwa o 25% pomimo jednoczesnego wzrostu mocy produkowanych silników. Według ekspertów elektronika stanowi klucz do redukcji ilości spalanego paliwa i bez jej udziału takie oszczędności nigdy nie byłyby możliwe. Co więcej, elektroniczna kontrola układu przeniesienia napędu pozwala poczynić dalsze oszczędności w zużyciu paliwa. Samochody są obecnie wyposażone w dodatkowe funkcje kontrolowane przez systemy elektroniczne (np. funkcja stop/start) przynoszące kolejne oszczędności w tym zakresie. Znaczące zmniejszenie zużycia paliwa jest możliwe jednakże dopiero po starannym zaprojektowaniu wszystkich podzespołów, tak aby były one możliwie najbardziej oszczędne. Podobne techniki stosuje się podczas projektowania urządzeń zasilanych z baterii. Oprócz przemysłu samochodowego znaczącą część wytwarzanej energii (19%) absorbują systemy oświetlenia: publiczne oraz prywatne. Oszczędności, jakie mogą zostać poczynione w tym obszarze zastosowań, szacuje się na 50%.

Wymagać to będzie jednak wymiany tradycyjnych lamp z żarnikiem wolframowym na nowoczesne źródła światła. Rozwiązaniem są powszechnie dostępne żarówki energooszczędne, jednakże znaczącą redukcję zużywanej mocy, według ekspertów, przyniesie dopiero wejście diod LED do powszechnego użytku. Również ekspert stowarzyszony z Greenpeace przyznaje, że na dłuższą metę przyszłość stanowią właśnie diody LED.

Środowisko naturalne może odnieść wiele korzyści dzięki ekspansji nowych technologii, ale jest i druga strona medalu – przemysł elektroniczny jest obecnie mocno uzależniony od efektywności energetycznej. Rozwiązania marnotrawiące energię elektryczną mają coraz mniejszą szansę na znalezienie nabywców. Tendencja ta zaczyna również dotykać producentów przewodników do tego stopnia, że firma Cadence zdecydowała się przygotować stosowne narzędzie EDA wspomagające projektowanie układów scalonych pod kątem możliwie małego zużycia energii.

W ciągu ostatnich lat problem oszczędzania energii stał się typową praktyką w różnych dziedzinach życia, zarówno publicznego, jak i prywatnego. Przyczyniło się to również do powstania nowego segmentu rynku. Dotyczy to urządzeń wykorzystywanych w przemyśle, automatyce czy w domu. Na nowym rynku zbytu, przykładowo, Infineon sprzedaje 30% swoich produktów.

PowerWise AVS Technologia PowerWise została opracowana przez National Semiconductor. Idea pracy tej technologii opiera się na adaptacyjnym przełączaniu napięcia zasilającego (AVS – Adaptive Voltage Scaling). Systemy wspierające to rozwiązanie mają jednostkę analizującą bieżące zapotrzebowanie na moc obliczeniową i w zależności od tego zapotrzebowania regulują napięcie zasilania. Zmniejszenie napięcia ogranicza wydajność jednostki obliczeniowej, ale tym samym zmniejsza rozpraszanie mocy statycznej i dynamicznej. Dużą zaletą jest towarzyszące temu zmniejszenie emisji ciepła. Całość pracuje w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Blok zarządzania wydajnością i zasilaniem za pomocą interfejsu PWI (PowerWise Interface) przesyła stosowne komendy do układu kontrolującego napięcie zasilania i w ten sposób wpływa na jego wartość. W przypadku wzrostu lub spadku zapotrzebowania na wydajność jednostki obliczeniowej przesyłane są stosowne informacje, które korygują wartość napięcia zasilającego. Przykładem układu wspierającego technologię PowerWise jest LP5550. Układ ten jest sterowany przez magistralę PWI i umożliwia zmianę napięcia wyjściowego w małych krokach. Dostępne są wyjścia napięciowe przeznaczone do zasilania: rdzenia, układów I/O, pętli PLL oraz potrzymania zawartości pamięci RAM. Są one regulowane przez generatory PWM o efektywności do 90%. Zasilana jednostka obliczeniowa, w oparciu o bieżące zapotrzebowania na wydajność, reguluje napięcia wyjściowe z układu LP5550.

Duże zainteresowanie oszczędzaniem energii zwiększa zapotrzebowanie na elementy takie jak tranzystory IGBT, wysokonapięciowe tyrystory czy półprzewodniki z grupy silicon carbide. Sprawia też, że producenci zaczynają wdrażać stosowne strategie i rozwiązania, np. „PowerWise” (National Semiconductor – patrz ramka) lub MIPAQ (Infineon).

Dostawcy technologii związanych z oszczędzaniem energii zdają się mieć uprzywilejowaną pozycję w dobie kryzysu gospodarczego. Grupa badawcza IMS w swoich ostatnich prognozach podała, że tę grupę urządzeń cechuje duży potencjał ekonomiczny. Co więcej, sugeruje, że w najbliższych latach złożona stopa wzrostu rocznego dla Zintegrowanych Modułów Energetycznych (Power Integrated Module) wyniesie 10%.

HVDC System System HVDC (High-Voltage Direct Current) jest systemem dystrybucji energii elektrycznej w liniach naziemnych i podwodnych. Wykorzystuje on napięcie stałe, zamiast stosowanego powszechnie napięcia zmiennego. Straty mocy są proporcjonalne do kwadratu prądu, więc korzystne jest zwiększanie napięcia w celu jego zredukowania. Straty mocy zależne są także od rezystancji przewodu. Każdy kabel ma własną pojemność oraz indukcyjność, które zwiększają impedancję i tym samym straty. Podczas przesyłania napięcia stałego w liniach energetycznych reaktancja pojemnościowa i indukcyjna nie występuje, dzięki czemu linie takie charakteryzują się większą efektywnością. Co więcej, ten sam przewód jest w stanie przenieść większą ilość energii, ponieważ wartość szczytowa napięcia zmiennego jest większa od wartości średniej i w efekcie przewody muszą zostać dostosowane do amplitudy napięcia. Taka sytuacja nie występuje w przypadku napięcia stałego, więc odległości między poszczególnymi żyłami mogą być mniejsze, a izolacja cieńsza. Pozwala to również zwiększyć moc dostarczaną przez obecnie wykorzystywane linii energetycznych. Wysokie napięcie w większości wypadków nie może zostać bezpośrednio wykorzystane, np. do celów oświetleniowych czy zasilania silników. Konieczne jest jego zmniejszenie, co staje się możliwe dopiero przy użyciu podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy (np. tyrystorów czy tranzystorów IGBT). System HVDC ma swoje wady, takie jak konieczność stosowania statycznych inwerterów, których koszt i straty są znacznie wyższe dla krótkich odcinków linii w porównaniu ze stratami wnoszonymi przez linie z napięciem zmiennych. Konieczne jest także zapewnienie dobrej komunikacji pomiędzy poszczególnymi terminalami i bieżąca regulacja mocy, co wymaga dołączenia dedykowanych sterowników dodatkowo podnoszących koszt budowy systemu HVDC. Jego stosowanie jest opłacalne głównie przy przesyłaniu energii na duże odległości.

Warto zauważyć, że nie tylko elementy półprzewodnikowe mają swój udział w technologiach energooszczędnych. Również mikrokontrolery i mikroprocesory obecne w urządzeniach wbudowanych odgrywają znaczącą rolę, gdyż zarządzają zużyciem energii w kontrolowanych przez nie aplikacjach przemysłowych. Biorąc pod uwagę wymienione powyżej czynniki, nie powinno budzić zdziwienia, że przemysł półprzewodnikowy wykazuje ogromne zainteresowanie tematem oszczędzania energii. Co ciekawe, sami producenci półprzewodników zaczynają uważniej przyglądać się zużyciu energii w swoich zakładach. Ostatnie wyliczenia Toshiby wykazały, że w fabrykach wykorzystujących 300mm płytki krzemowe używana aparatura zużywa 54% energii, co jest wynikiem gorszym niż w przypadku płytek 200mm, gdzie udział ten wynosi 47%. Silny obecnie w elektronice trend do oszczędzania energii każe przypuszczać, że nie jest to tylko chwilowy kaprys. Wzrost świadomości konsumentów i przedstawicieli przemysłu co do konieczności zmniejszenia emisji dwutlenku węgla może okazać się decydujący podczas wyboru technologii i urządzeń. Firmy, które nie wezmą udziału w walce o każdy możliwy wat energii, już wkrótce mogą stracić swoich odbiorców. Oznacza to, że era „zielonej” elektroniki na stałe wpisze się w listę zadań, jakim będą musieli podołać projektanci systemów elektronicznych.

Jakub Borzdyński