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半导体和软体如何引领永续发展
从影响、范围及平衡来探讨永续

【作者: Patrick Morgan】2023年05月25日 星期四

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经常听到关於永续发展的讨论,但它到底是什麽?在《牛津英语词典》中,永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,可以维持或继续运作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。以最简单的方式来说,永续发展关??子孙後代,关??将为他们留下一个怎样的世界。我们经常谈论环境,好像其是一种独立的事物,但环境如此重要的原因,在於我们全都离不开它,并且很难想像有比这更重要的影响。作为工程师,让世界变得更美好正是我们研发技术的意义所在。


其次是范围。当然,范围是全球性的。我们可以改善在地环境,但要真正使世界变得更加美好,必须从全球角度去思考和行动;这表示可以超越国家边界和政治的方式发展技术,但仍在社会价值结构内运作。作为工程师,希??技术能用於全球,这表示我们需要了解业务,而不仅仅是技术。


最後一个方面是平衡。永续发展表示在环境、社会公平和经济之间达成平衡。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产生变化。


实际上,任何被视为「绿色」的产品相较於同等的「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公司正是从绿色食品的溢价中获利。然而不止於此,永续性可以增加技术所创造的价值,汽车、半导体和软体是下一个重要领域。


半导体和软体比以往任何时候都重要

半导体在我们生活中的作用众所皆知。COVID-19大流行使全球许多产业受到重创。现在,随着全球日渐走出疫情,我们看到消费者需求急剧成长从消费性电子到汽车等皆如此。供应紧张,成本上升,市场动荡。半导体产业迎来重大反弹,年同比成长26%,年收入现已超过6000亿美元,相当於地球上每个人每年近100美元。



图一 : 全球半导体市场规模:从1990年到2022年(单位为十亿美元)(source:ADI)
图一 : 全球半导体市场规模:从1990年到2022年(单位为十亿美元)(source:ADI)

如此明显的成长是否表示市场即将下跌?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,半导体市场成长的平均复合年成长率超过8.5%。之所以有如此韧性,因为半导体对电气化、经验、自动化、通讯等领域的大趋势,提供了日益强大且深刻的支援。


半导体产业规模很大,而晶片创造的价值则更大,估计达到数十万亿美元,其原因在於晶片的工作方式。半导体晶片测量我们周围的世界,处理讯号,驱动云端运算,并使软体能够在电脑、手机、汽车、工厂等环境中运作。简言之,没有晶片,我们现在所依赖的大部分技术将不复存在。在晶片上运作的软体以及绿色溢价所带来的额外价值,大幅加强技术的影响力。


先进技术的影响

当努力对永续发展产生积极影响时,首先需要了解如何衡量它。影响不仅仅是使用自己的技术去做什麽,而且包括客户如何使用这些技术来影响环境。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%。



图二 : 测算运用科技可减少的温室气体排放数量的模型(source:ADI)
图二 : 测算运用科技可减少的温室气体排放数量的模型(source:ADI)

我们开发一个模型来测算客户能够减少多少排放,如图二所示。测算结果显示,使用ADI技术的客户至2025年可??每年减少2.5亿吨的温室气体排放,到2030年可??减少近6亿吨的温室气体排放。


至於6亿吨是什麽概念呢?据估计,为了实现温室气体排放的「净零」平衡,全球每年需要减排510亿吨。当然,还有其他类型的技术也能产生影响,日後可以把这些技术增加进来。但首先,我们来深入研究电气化。


半导体和电气化的成长

电气化是一个广泛的概念,不仅包括所有类型的电动车(EV),而且包括任何有??头的东西,其涵盖了所有具有??头的物品所连接的电网。从经济角度看,汽车产业正迅速成为对电网影响最显着的因素之一。


实际上,汽车产业正处於其历史上最重要的变革阶段。截至今日,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。对於半导体和软体公司来说,这是个好消息。



图三 : 电动车的半导体含量是内燃机(汽油驱动)汽车的3倍。(source:ADI)
图三 : 电动车的半导体含量是内燃机(汽油驱动)汽车的3倍。(source:ADI)

图四 : 在接下来的5年,预计电动车将成长近8倍。(source:ADI)
图四 : 在接下来的5年,预计电动车将成长近8倍。(source:ADI)

现今汽车平均包含价值450美元的半导体组件。然而,电动车平均包含的半导体价值是上述价值的大约3倍。目前公路上的电动车数量为1600万辆,在接下来的5年,预计此一数字将成长到1.25亿以上。这表示可以预期,在未来5到10年,所有汽车半导体中的一半将用在电动车上。


不仅汽车中的硬体内容成长,软体内容同样大幅成长。到2030年,预计软体将成为汽车产业最大的收入来源,甚至大於汽车销售。如此结构性变化为科技公司创造半导体附加值提供了巨大机会。实际上,我们现在已经在获取此种价值。例如ADI推出的无线BMS(wBMS)技术建立在从头开发的完整平台上,不仅包括硬体,而且包括全新的无线协议堆叠;该系统支援无线更新,并实现了业界最高的安全评级。


从技术角度看,电池是电动车的赋能系统。电动车电池必须连接电网才能充电,其也可以用於储能元件,以将能量放回电网中。消费者、收费公司和OEM如何偿付此种能源的业务模式正在持续发展,也会看到生态系统将持续发生变化。


首先考虑电气负载。1.25亿辆电动车的最大负载约为10 TWh。这与全球总发电量的预期成长(从25,000到28,000 TWh)相较之下很小,但当电动车在基础设施内部移动时,其负载在时间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,还必须进行即时管理,从而向电网上的所有电气装置无缝且零中断地输送电力。


在充电电缆的电网端,ADI提供精密量测、控制和即时讯号处理技术。实际上,这些技术已被用於世界上复杂度非常高的二次变电站,透过为电网边缘增加智慧确保可靠的电力输送和电网管理。随着新能源和新负载加入,电网越趋去中心化,杂讯越来越高,而我们预期此类设备将成为新的标准。


最後谈谈洁净能源。尽管化石燃料将持续满足全球能源需求的一部分,但未来的大部分成长将由洁净能源实现。洁净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,相较於加油,电动车消费者更喜欢充电带来的便利和省钱。


然而,洁净能源的特点是间歇式运作,因此必须使用储能系统进行管理,使其平稳进入电网。尽管储能市场比电动车市场小得许多,但储能系统的成长速度超过电动车生产的速度,并且依赖於针对特定使用场景定制的精密BMS。


加速进入未来

展??未来,我们看到半导体的减排影响为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。现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。而我们什麽时候会看到零碳排放晶圆制造厂?或者零碳排放封装?


ADI正在制定一项新的重大计画,旨在实现永续的电池。我们与合作夥伴一起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後的梯次利用价值。



图五 : BATTERY DATA INSIGHTS电池生命周期资料分析(source:ADI)
图五 : BATTERY DATA INSIGHTS电池生命周期资料分析(source:ADI)

我们对地球的影响从未像目前这般重要。我们正处於让世界变得更具永续发展能力的起步阶段,而半导体驱动的电气化,则是加速实现「净零」未来的关键技术。


(本文作者Patrick Morgan为ADI汽车电气化及永续能源部??总裁)


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