隨著現代電子歷史出現的80多年，重點一直集中在怎樣使得商品更快、更小且更便宜。除了摩爾定律之外，沒有別的能夠更精確的捕捉到了時代的精髓。

　　現在，人們不斷對電子做出研究以便完成一些并非行業內關注的任務，但是對地球未來卻有著重要影響的話題：減少能源消耗。更具體點說，就是減少社會對化石燃料的依賴，例如石油和煤，以便二氧化碳的排放量---許多科學家都認為二氧化碳是引起氣候變化的最主要因素。

　　電子技術的演進和能源效率的關系引發了一種趨勢線，比摩爾定律還要深遠。例如，當今流行的筆記本電腦，相比20世紀50年代由千瓦時來衡量的真空管電腦來說，其能效要高出許多。順應此趨勢，有人認為將會出現依靠周圍光照運行的筆記本電腦，而不需要接入任何外接電源。

　　下面，我們來看看在目前功率變革中起著重要作用的五種電子技術。該列表并非是一個排名，也不是絕對的；而是一個創新的集合體，將為整個社會帶來一些不同的反響。

　　轉變：3D技術

　　想象一下，如果固態變革從未出現過，我們任然生活在電子管的世界。我們現在所用的筆記本將會更加龐大（四個臥室那么大），還將需要非常大的電力來進行同樣的操作---大約是現有時間的一萬億倍多。

　　斯坦福大學顧問教授、2009年一篇講述計算機能源使用和其性能關系的論文的合著者Jonathan Koomey指出，從50年代和60年代的電子管數字積分（ENIAC）時代到目前的微積分時代，千瓦時計算每隔1.6年就翻翻了。

　　根據Koomey的調查顯示，ENIAC運行速率小于1 kiloflops（每秒運行103個浮點）每千瓦時；而當今的筆記本理論上講，運行速率為1 petaflops（1015個浮點）每千瓦時。

　　英特爾早在五月就宣布推出了22納米微處理器3D“Trigate”晶體管，作為摩爾定律的延續體。英特爾指出，由于這種“Trigate”晶體管的創新鰭型構架，使得其小號的能源只有32納米芯片2D平面晶體管的一半不到。并且這種晶體管體型更小、運行速度更快、價格也更便宜…也更加節能。

　　試想在能源/性能趨勢線出現以前，Koomey相信它對移動計算的演進會有這深遠的影響；尤其是對無線感應網絡信息收集潛能的利用。

　　而這也并非是其全部真相。隨著數據中心不斷增加，它們進行的操作也將越來越節能。近日，全球數據中心耗能約占全部電力消耗的1%。理論上講，在同等條件下，翻番使用3D晶體管IC架構的數據中心數量對整體能源需求影響不大。

　　Koomey指出，“想想我們現在擁有多么龐大的數據庫。讓我們拭目以待吧。”

　　固態照明：LED帶來的巨大的能源節約

　　在過去的六年里，使用發光二極管或者有機發光二極管的固態照明（SSL）系統幾乎滲透到了所有的照明市場，從住宅和消費照明到工業和商業照明市場。市場滲透率將不斷加速。

　　美國能源部規劃，在未來的20年內，SSL將占有照明用用市場，而商業照明將引領照明變革。DOE預測，LED照明將在2025年取代80%的白熾燈具和鹵素燈具。

　　我們只需要看看沃爾瑪公司采用LED之后的情況。在2005年，全球最大的零售商沃爾瑪，每天盈利達10億之多；該公司在位于德克薩斯麥金尼的店鋪中的冷凍柜中安裝了首個LED照明系統。之后的數據顯示，該LED照明系統減少了該店鋪70%的能源消耗；散熱更低、壽命更長、并節省了維護成本。

　　沃爾瑪開始擴大其全球店鋪SSL的使用，包括在停車場也安裝LED燈具。沃爾瑪指出，該公司2009年將波多黎各22個停車位的燈具換成LEDs之后，節約了約800萬千瓦時的電量。沃爾瑪大多數停車場照明燈具都是由位于美國北卡羅來納州亨德森維爾的通用電力公司生產。

　　各地加起來能節約80億千瓦時的能源。據美國能源部DOE估計，SSL的使用能在未來20年中能帶來的能源節約量將達到10.5到16.0quads。根據美國能源部的資料顯示1quad的能源相當于290萬人平均每年的能源消耗量，或者相當于大概1.67億桶石油。

　　Cree公司LED元件部產品銷售經理Paul Scheidt指出，“上述數據并沒有包括維護節約帶來的能源節約（和成本節約）”。Schedit將成本節約比喻為LEDs“環境層面的另一半”。

　　Cree在今年早期宣布了低能耗、照明級LED，能夠替代在高產、小型應用領域使用的35瓦至50瓦之間的鹵素燈具。

　　他指出，“如果您選擇購買便宜的燈具，那么您將花費更多的金錢---因為這種燈具將需要您投入更多。”

　　能量采集：無線傳感器網絡的催化劑

　　從一些未知的來源采集或清除能源的例子已經存在很多年了。從點燃的氣球和自動運轉的手表到由美國國防部高級研究計劃局贊助的通過身體運動來驅動可穿戴感應器的項目等等，該領域充滿了各種不可思議的應用。

　　可以通過各種途徑來獲取能源，包括振動、聲音、電磁、熱、機械、運動以及壓力等。壓電、光電以及熱點元件都能用來將獲取的能量轉變成電子信號。這些電子信號通常用毫瓦來測量；通過這些來源產生的電最終將淘汰掉電池，并排除任何設備對電力網的需求。

　　以色列公司Innowattech率先通過在路面和軌道中植入壓電晶體而獲取電能。由以色列鐵路安裝的發電原型在一節軌道上能獲取120kWh的電量；該節軌道每小時通車兩位10至20個10節車廂的火車。通過這種途徑獲取的電能可被用于信號燈或者上傳至輸電網。

　　這看上去似乎是一個垃圾桶，但是BigBelly Solar涉及的垃圾壓縮機實際上是一個無線感應器網絡。這種無線感應器網絡由一個太陽能電池板驅動，當垃圾裝滿時，它會給垃圾起吊機傳遞信號，從而避免不必要的上門服務。

　　通過馬路產生電力是可行的，但是獲取電力最有效的方法或許是無線感應器網絡設備。無需維護的無線網絡開始變革無數程序，例如遙控監視和管理環境狀況、追蹤裝船出國的生菜的新鮮度、以及管理建筑屋的氣候控制系統等。由于這種網絡使得各種程序更簡潔有效，它們將使得各種間接能源使用節省大量能量。

　　下面看看BigBelly Solar公司研發的只能垃圾回收系統；該系統已經銷往全球30多個國家。這是一個太陽能驅動垃圾壓縮機，在垃圾裝滿時，它會以信號方式通知垃圾起吊機。從而避免了垃圾車來進行垃圾回收，因而減少了燃料使用并提高了生產率。

　　去年12月，Innowattech在以色列海法市一段軌道上安裝了嵌入式壓電晶體材料。當列車經過壓電晶體時，就會產生電脈沖，從而能產生電量。該測試證明了，能夠通過這種機械能進行遠程監控軌道狀況并可能用于動力信號中。

　　正是由于無線感應器網絡的這種潛能，能源采集市場增長前途一片光明。根據IDTechEx市調公司顯示，元件銷售量在2011年達到了6.63億美元；該市場有望在未來五年內規模翻番，到2021年將翻四倍。

　　超導電纜：智能電網引擎

　　當今最緊迫的發電挑戰就是有效利用位于遠離城市地區的可再生能源---例如，由美國紹斯維斯特太陽能電廠生產的電能運輸至西海岸的城市地區；或者由內蒙古平原風輪機生產的電能傳送至北京等。

　　目前這種“愚蠢的”電網主要依賴地面銅纜來進行長距離電力傳輸。銅纜運輸的缺陷在于漏電率很高。一般來講，傳統的電網傳輸損失率為7%至10%，主要是由于銅線這種固有的電阻。這也證明了會有大量的溫室氣體排放到空氣中。

　　超導電纜導電幾乎沒有任何電量損失，在同樣的路徑上傳輸電量比銅纜要高達10倍之多。但是雖說這種高溫超導體（HTS）電纜可能作為下一代傳輸線使用，它仍然面臨著許多難題：最重要的還是其高成本和進行低溫冷卻的需要。

　　首個超導體電纜出現在美國。2006年，英國國家電力供應公司和美國電力公司在紐約奧爾巴尼和哥倫布分別安裝了配電電壓HTS動力電纜。2008年，長島電力公司在其Holbrook電廠安裝了HTS傳輸電纜。該長達2000英尺的LIPA電纜系統是使用法國液化空氣集團（Air Liquide）生產的低溫冷卻技術。

　　紐約長島電力公司在2008年4月運行的世界首個超導體輸電電壓電纜系統中使用了美國超導公司的高溫超導體電纜。在全容量情況下，這個全球最高功率超導體系統能傳輸高達571兆瓦電量，可供30萬戶家庭使用。

　　美國超導公司（AMSC）超導體電纜和系統業務行政董事Jack McCall指出，隨著美國能源部撤出了對超導體的資助，大多數示范項目和安裝項目都遷往海外，主要在中國、韓國和歐洲地區。

　　美國超導公司的安博瑞線纜（右）相比同類型銅線，其傳達的電流量是銅線的100多倍。和銅線相比，安博瑞高溫超導帶材電阻為零，在傳輸過程中沒有任何電量損失。

　　例如，AMSC在四月宣布，已經在中國甘肅省白銀市一個變壓站安裝了其HTS電纜。首個AMSC HTS傳輸電纜將在這個夏天安裝在中國北京。

　　和中國一樣，韓國也有一系列示范項目使用了AMSC超導電纜。去年10月，AMSC宣布銷售了300買太儀表---大約銷售了50英里的超導電纜給韓國的LS Cable公司，該公司將生產HTS電纜并將在濟州島知名的智能電網項目中安裝這種HTS電纜。更具McCall透露，AMSC將提供HTS電纜來替換首爾現有的銅線供應電纜；這種HTS電纜將增加六倍的有效功率而無需安裝任何電路。

　　金剛砂：提高各種設備的能源節約

　　電力電子在各種應用中所提供的能源節約巨大。對于提高電力成分性能來說，沒有任何材料能和金剛砂媲美。通過替換標準的硅元件---激光管和MOSFETs，而是用Sic元件，能極大的減少能量損失，從而達到更高效能源效能。

　　根據Cree數據顯示，通過使用SiC Schottky 二極管，全球已經節約了約6億美元的電量。這相當于每年從三個燒煤發電廠或者65萬輛汽車排放的二氧化碳量。這還只是個開始，SiC當前還只占整個電力元件市場的1.5%。Cree預計由Sic帶來的能源節約，將相當于每年排放3億噸二氧化碳或者240個燒煤發電廠所使用的能源。

　　事實上，通過使用Sic電源和二極管能帶來成千上萬個能源節約機會。其中包括供電器、空調、變速汽車、家用電器產品、固態照明、電網變頻器、光伏發電機和風力發電機以及電動車輛和混合動力電動汽車（HEVs）的能源管理元件等。

　　在電網層面，如果在下一代固態變壓器中使用SiC能量元件，電網效率將增加8%至10%。豐田公司預計，如果所有的變頻器都是用SiCs的話，HEVs的燃料效率將提高10%。

　　大多數能量元件廠商包括SiC元件廠商都出于產品組合階段；還有SiC先驅Cree、Infineon、Rohm、STMicroelectronics以及其他供應商等。當前絕大部分供應商都關注電源供應市場，還有一些人把注意力投向了光伏逆變器市場，以及固體電路變壓器中的高壓應用等。

　　Cree在一月就統計了行業首個合格的商業SiC電源金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET），該MOSFET為高效節能電源開關制定了一個新的基準。

　　早在今年，Cree就介紹了一款商業SiC電源MOSFET，用于光伏逆變器、高壓電源和工業電源應用。三年前，德國Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems通過使用Cree的SiC MOSFET原型使光伏逆變器的效率達到了最大的98.5%。SiC元件據說轉換更快；相比傳統的硅基晶體管而言，SiC元件正向偏置功率損失更小。

　　Cree也看到了SiC元件在電網層面的機遇。作為DARPA和Office of Naval Research 項目的一部分，Cree公司建立了一個10千伏、100安培的電源組。該電源組集成至美國通用電氣公司的設備中，用來生產能在20kHz條件下運作的1MW變壓器。而能處理6.5kV的傳統變壓器只能在500Hz條件下運作。為DARPA制作的變壓器高16英寸，重量為75磅。

　　Cree公司電源設備產品經理Paul Kierstead指出，“我們的下一個目標是電機驅動、UPS以及電動汽車應用。”

        其他：下一代綠色新能源

　　明日能源節約創新點將來源何處呢？答案在于大學。因為大學確實是最有效的創新人才孵化器。

　　越來越多的大學已經設立了各種學生競賽，競賽項目設計各種對人類有益的技術。包括一些特定的領域---例如地熱和太陽能---而其他學校的選擇很自由。其中兩個最受關注的競賽是MIT（麻省理工）清潔能源獎和SETsquared 競賽（由五所英國大學組成的：巴斯大學、布里斯托大學、埃克斯特大學、南安普敦大學以及薩里大學。）

　　今年的MIT清潔能源獎得主從全美47所大學中的80位競賽者中脫穎而出。MIT將之稱為最有競爭力的一年，因為今年的大獎為20萬美元。

　　清潔能源獎得主，最后在五名決賽者中選出，得主是CoolChip Technologies；該團體研究的是將下一代節能微處理器冷卻系統引入消費和數據處理中心。

　　根據CoolChip Technologies透露，這種專利散熱技術是“一種劃時代的CPU空基冷卻器；相比其他空基冷卻器，這種CPU空基冷卻器散熱能力更強且性能也更高。”從環保角度來講，這種技術將大幅度減少數據中心冷卻所使用的能量。

　　CoolChip Technologies的這種核心散熱技術，贏得了2011年20萬美元的MIT清潔能源獎大獎。這種技術將大幅度減少數據中心冷卻所使用的能量，減少約40%的能量消耗。

　　根據CoolChip團隊成員、MIT EECS博士William Sanchez消息，目前冷卻費用約占主要數據中心一般的運營成本。如果使用該團隊設計的風扇，該數據將減少40%。

　　其他四個MIT競賽的決賽選手包括Ubiquitous Energy、Made in the Commonwealth、PK Clean以及LinkCycle；他們分別贏取了1.5萬美元的獎金。

　　Ubiquitous Energy 以其低價制造太陽能電池的計劃而獲勝。該團隊希望能研發一種太陽能充電器，其尺寸和標準紙張一樣大，能夠用來在發展中國家離網地區為手機或者燈具充電。

　　PK Clean的專利技術是將廢棄的塑料轉換成燃料，從而能將成堆垃圾變成大量的油。這種專利技術將使得該團隊進入價值數萬億的燃料市場。PK Clean團隊計劃構建一個每天生產20噸燃料的實驗設施，為汽車和卡車生產燃料，每桶價值25美元至30美元。

　　Made in the Commonwealth計劃在馬薩諸塞州的一個新精煉廠為噴氣式飛機生產可再生燃料，以及為其他車輛生產汽油、柴油和天然氣。該團隊由MIT工廠系統部一名研究生Matthew Pearlson領帶，希望在今年能夠籌集2000萬美元開始生產這種燃料。

　　LinkCycle 以其簡化商家對其產品進行生命周期分析的流程的軟件包而贏得了MIT清潔能源獎。商家無需雇傭專業顧問來分析其每個新產品的性能；他們只需使用LinkCycle的在線平臺（這種平臺的基礎數據適用于許多產品），從而使得產品分析便宜而且透明，同時簡化了其驗證過程。

　　SETsquared 為了參加MIT 2011年清潔能源大賽而收到了來自五所大學的7.5萬名學生的申請。獲獎者是Alistair Shepherd，是一名22歲來自南開普敦大學的航空航天專業研究生。

　　Shepherd獲獎主要是因為他通過研究船舶運動的波浪能，通過安裝在船身內的一個裝置來將波浪能轉換成電能。由于這種裝置沒有浸入海水中，從而避免了像其他波浪能解決方案那樣容易損壞。

　　Shepherd指出，“波浪能發電將能取代全球無數船只的柴油輔助發電機，從而為船主節約成本并能減少二氧化碳排放量。”（翻譯：Oscar，編輯：Kevin）