半导体和软件引领可持续发展之道

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。