電子產品如何省電,從設計到製造,甚至是日常使用方式,都值得動動腦。柏克萊大學無線研究中心(Berkeley Wireless Research Center, BWRC)教授Jan Rabaey、應用材料(Applied Materials)能源暨環境事業群(EES)技術長Mark Pinto、創意電子(GUC)設計服務處資深處長林景源(Louis Lin)在2009年VLSI Week有精彩分享。
待機,耗電改善!!
電子產品待機時,到底有多耗電呢?也許大家覺得100~200瓦的待機耗電不算什麼,但相較於電視待機用電3瓦,以及DTV待機用電8瓦,大家就可以知道,很多電,是在沒做什麼事的時候,就耗掉了。
Jan Rabaey教授強調,許多IC零組件,在待機狀態仍消耗許多電力,尤其越是先進的多媒體與行動通訊元件,越是如此。柏克萊大學無線研究中心(BWRC)把研究重點放在,如何降低這些總是「耗著電」待命的元件,在待命狀態下少用電,只有在主人需要時,才利用無線傳輸技術,讓元件醒過來工作。
追求省電,除了可以採技術手法進行突破,Jan Rabaey教授強調,企業與組織內,由上而下的政令要求,更是有效的作法。他幽默表示:「Doing Nothing VERY Well」(放空什麼都不做,很~好!),能做到這樣的IC零組件,就堪稱為綠色元件(Green Devices)。他認為無線射頻RF ID標籤(tag)及強化目前既有的無線通訊標準,未來都有機會幫忙實踐沒事放空不耗電的綠色元件世界。
請太陽,來發電!
全球知名半導體設備供應商應用材料(Applied Materials)能源暨環境事業群(EES)技術長Mark Pinto指出,人類在1839年發現可以利用光伏效應(PV effect)發電,直到1954年,第一片矽太陽能晶片才誕生。儘管人們基於石油耗竭及環境保護顧慮,太陽光電目前還是僅佔全世界電力的0.1%不到,未來如果能有效提高太陽光轉換成電的轉換效率,讓終端用戶的使用成本降低,市場成長將十分可觀。
太陽光電產業潛力大
除了半導體設備外,應用材料能源暨環境事業群在過去12個月已締造9.89億美元的營收,預估今年業績還會向上成長。
Mark Pinto指出,太陽能發電的兩大成本,分別是「模組」及「安裝」。為了降低模組成本,應用材料的太陽能工廠SunFab已與全球客戶緊密地進行技術合作,致力於提高光電轉換效率。
與客戶緊密合作
Mark Pinto指出,雖然受制於金融風暴,銀行貸款政策緊縮,加上西班牙政府的優惠政策於去年9月截止,導致2009年西班牙的市場掉了一半以上等負面因素影響,但由於該公司積極利用SunFab與客戶進行密切合作,因此,預估今年該公司在太陽能產業的業績仍可望成長。
目前應用材料在德國與中國(西安),都投資設立了SunFab,這兩座太陽能產的任務,都是與客戶進行緊密合作,先從研發合作,接著再導入生產。
以位於中國西安的這座SunFab為例,就與中國產業界與學術界展開合作,包括河北新奧、尚德及Best Lolar等三家公司,都與這座位於西安的SunFab有合作計畫進行中。
市場蓄勢待發
用一句話來形容太陽光電產業目前的處境,Mark Pinto說,「This Time PV is Real」,不像25年前,只是大家說說而已。
Mark Pinto分析太陽光電產業兩大技術與市場,分別是多晶矽太陽能(Crystalline Silicon Cells)與薄膜太陽能(Thin Film)生產線,應用材料在兩個領域都有佈局。
在薄膜太陽能方面,延續過去在TFT-LCD生產設備的高市佔率,該公司在技術里程碑上,已經完成5.7平方米大面積尺寸的薄膜太陽能模組(Thin Film Module)。目前應用材料的堆疊式微晶矽薄膜太陽能(Tandem)在光電轉換效益為8%,已獲第一家客戶SunFilm採用,未來將把光電轉換效益再努力提高至10~12%。薄膜太陽能以大面積及可以機器進行安裝等優勢,市場鎖定土地取得成本較低的發電廠客戶。
在多晶矽太陽能方面,光電轉換效益比薄膜來得高,但尺寸小、安裝成本高,所以比較適合住家型用戶。應用材料在購併了瑞士PWS及義大利Baccini等兩家歐洲公司之後,也展現了對多晶矽太陽能的企圖與決心。
從設計,就設想省電!
在2009年VLSI-DAT技術研討會上,創意電子設計服務處資深處長林景源(Louis Lin)為全球與會者介紹該公司的省電設計方案。
在電子產品最源頭的IC設計時,就把省電這件事考量進去,近來來已獲全球業界人士一致共識。林景源指出,電子產品因應功能多樣化,在用電模式上,也有多種組合。他舉一個真實設計為例,有超過50個Power Domain及超過80個Power Mode,如果以人力方式,去寫成通用功率格式(Common Power Format,CPF)或統一功率格式(UPF),可說是高困難的工作。
CPF與UPF分別是由不同EDA公司所主導的功率格式,CPF由Cadence主導,率先推出業界,緊接著UPF由Synopsys、Mentor Graphics和Magma公司所支持。
為完成這項艱難的任務,創意電子開發出一個環境平台,讓客戶只要為系統定義好規格,包括多少個Power Domain及多少個Power Mode,接著就能產生符合CPF或UPF的樣版。
表1:這是創意電子自行開發的UPDC環境,在接受客戶提供Power Mode計畫後,此環境可衍生出一個介面計畫(interface plan),並產生一個CPF或UPF的樣版。
林景源強調,這個環境最大的效益與價值在於,可以協助設計者簡化並節省每個Power Domainn分析的時間,並自動為設計者產生Cross Domain的介面邏輯。創意電子還會進一步完成一份精簡化的介面計畫(interface plan),拿掉不必要的控制邏輯,替客戶省去準備CPF或UPF的複雜度。為了取信客戶,創意電子已開發一顆ARM 1176驗證通過的測試晶片。
表2:一個包含超過50個Power Domain及80個Power Mode的真實設計案例。
表3:這是簡化過的介面計畫。基於這個簡化過的介面計畫,創意電子的UPDC環境可以為客戶產生一個CPF或UPF的樣版。
採訪筆記分享:
First Solar全球第一:
全球太陽能產業龍頭公司First Solar,是一家美國公司,該公司製程相當厲害,可以把薄膜太陽能的光電轉換效益,穩定地維持在10.7%,為全世界立起高度進入障礙。
別小看這10.7%,這是這家公司努力耕耘了10幾年的成績,終於在市場時機成熟時,業績扶搖直上。該公司目前把主要生產基地放在馬來西亞,如何維持10.7%的高效益,該公司製程know-how必有獨到之處。
太陽能發電廠:
太陽能電廠,通常設立在人煙罕至處,土地成本低,適合大面積安裝薄膜太陽能模組來發電。一片面積5.7平方米的薄膜太陽能模組,如果光電效益可達10%,則可發電570瓦(W),一座小型發電廠,如果計畫發電1千萬瓦(10MW),只需要17.544片。