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技術(shù)文章

大數(shù)據(jù)時(shí)代的半導(dǎo)體技術(shù)
DQZHAN技術(shù)訊：大數(shù)據(jù)時(shí)代的半導(dǎo)體技術(shù)
鄭有炓：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位來(lái)賓，女士們，先生們，早晨好!很榮幸應(yīng)邀在今天的論壇上作一個(gè)研究報(bào)告，我報(bào)告的題目是“大數(shù)據(jù)時(shí)代的半導(dǎo)體技術(shù)”。大家知道近些年來(lái)信息技術(shù)日新月異的發(fā)展，信息的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的高度發(fā)展，特別是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、物三元世界的高度融合。例如2011年全球被復(fù)制和創(chuàng)建的數(shù)據(jù)量為1.8ZB，遠(yuǎn)超過(guò)人類有史以來(lái)所有印刷材料的數(shù)據(jù)總量。如果把1.8ZB的數(shù)據(jù)量刻錄存在普通DVD光盤(pán)里，光盤(pán)疊加起來(lái)的高度將等同于從地球到月球的一個(gè)半來(lái)回，也就是大約720000英里。
我們知道大概10年以前我們認(rèn)為信息可能會(huì)進(jìn)入KB，可想而知現(xiàn)在的信息發(fā)展技術(shù)多快。這些數(shù)據(jù)不是資料，是一種戰(zhàn)略性的資源。利用數(shù)據(jù)的資源發(fā)覺(jué)知識(shí)，提升效益，促進(jìn)**，使其為國(guó)家治理、科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和企業(yè)決策乃至個(gè)人生活服務(wù)。大數(shù)據(jù)帶來(lái)信息風(fēng)暴正在變革我們的生活、工作和思維，大數(shù)據(jù)開(kāi)始了一次重大時(shí)代的轉(zhuǎn)型。所以說(shuō)大數(shù)據(jù)是新一代信息技術(shù)的集中反映，也是新一代信息技術(shù)的主要特征。
大數(shù)據(jù)作為新一代信息技術(shù)，特別是作為信息技術(shù)的半導(dǎo)體技術(shù)，帶來(lái)了良好的歷史發(fā)展機(jī)遇，也使半導(dǎo)體技術(shù)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)新一代信息技術(shù)必須應(yīng)對(duì)節(jié)能降耗綠色發(fā)展。順應(yīng)全球節(jié)能減排的時(shí)代需求，各行各業(yè)都要節(jié)能減排。信息技術(shù)本身可持續(xù)發(fā)展必須要節(jié)能降耗，這是符合信息科學(xué)本身的科學(xué)需求。
2007年英國(guó)統(tǒng)計(jì)電腦等效排放的二氧化碳對(duì)氣候的影響不亞于飛機(jī)。全世界電腦正常運(yùn)行，每天向大氣排放的廢氣大概是3500萬(wàn)噸。相當(dāng)于100萬(wàn)架次進(jìn)出英國(guó)的航班所帶來(lái)的廢氣排放量，信息技術(shù)節(jié)能減排是非常重要的。大數(shù)據(jù)信息技術(shù)的三大技術(shù)設(shè)施;數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站、移動(dòng)終端平臺(tái)?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，從硬件來(lái)說(shuō)主要是這三個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施。現(xiàn)在可以說(shuō)好多IT企業(yè)都圍繞這三個(gè)方面運(yùn)轉(zhuǎn)，所以說(shuō)這三個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能減排是非常關(guān)鍵的。
數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器是目前信息時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施，據(jù)統(tǒng)計(jì)1分鐘微博上發(fā)生的數(shù)據(jù)量大于10萬(wàn)，F(xiàn)acebook瀏覽量一分鐘超過(guò)600萬(wàn)，世界上每分鐘產(chǎn)生1700TB的信息量。數(shù)據(jù)中心不是創(chuàng)造倉(cāng)庫(kù)的資料，它是需要運(yùn)轉(zhuǎn)的，它需要很大的供電量。2008年Google服務(wù)器系統(tǒng)耗電量接近1000兆瓦，2008年中國(guó)移動(dòng)等三大運(yùn)營(yíng)商耗電量為231億度電。
數(shù)據(jù)中心耗電*大的是電源轉(zhuǎn)換，就是AC—BD電力轉(zhuǎn)換。幕前的轉(zhuǎn)換效率一般在60—65%，以外的能耗就轉(zhuǎn)換為熱量撒法出來(lái)，這些多余熱量必須靠制冷設(shè)備散熱。制冷設(shè)備的能耗占到了總能耗的45%，IT核心設(shè)備占30%能耗，系統(tǒng)配電占24%，服務(wù)器的耗電量是非常大的。怎么樣降低數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的能耗，是數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。隨著數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)增加，將來(lái)就會(huì)導(dǎo)致買(mǎi)得起硬件，用不起電。
隨著大數(shù)據(jù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心的需求勻速增加，因而數(shù)據(jù)中心的電力消耗已經(jīng)占到全球?qū)幵鸽娏ο牡?%，預(yù)計(jì)電力消耗將會(huì)翻倍增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心對(duì)電力的巨大需求已經(jīng)成為制約大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展的瓶頸，也就是說(shuō)降低凝好是大數(shù)據(jù)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展面臨的*嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，支撐電力系統(tǒng)發(fā)展的硅功率電子技術(shù)面臨硅的“材料極限”已經(jīng)難于滿足類似數(shù)據(jù)中心服務(wù)器這類巨大能耗基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降耗的需求。第三代半導(dǎo)體材料是一種開(kāi)關(guān)損耗小，耐高溫工作能力強(qiáng)的新一代電子電子器件，是對(duì)傳統(tǒng)電力電子技術(shù)的**。與傳統(tǒng)的硅器件相比，采用第三代半導(dǎo)體材料SIC、GaN無(wú)，器件能耗有望降低50%，又可工作在高極限環(huán)境溫度。因此，可大大節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)備的冷卻費(fèi)用，并見(jiàn)效設(shè)備體積和大小。SiC、GaN器件開(kāi)關(guān)時(shí)間高于Si—IGBT的2—3倍，將使無(wú)源元件電容電感減小，提高頻率又可見(jiàn)效變壓器的體積和重量，使設(shè)備體積和重量減小。
移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基站是無(wú)線通信的基礎(chǔ)設(shè)施，基站的功率放大是無(wú)線通信系統(tǒng)中*耗電的器件。它消耗系統(tǒng)近80%的電功率，只有10%用于有信號(hào)的發(fā)射。基站的能量消耗的非常大，消耗大了就會(huì)發(fā)熱，就需要冷卻。隨著目前無(wú)限通訊的頻率升高，從2G馬上要向4G闊步，4G的覆蓋率范圍只有2G的1/16，所以說(shuō)必須要提高功耗。如果說(shuō)要提高4G的功耗就要耗電，無(wú)限信息技術(shù)迅速發(fā)展導(dǎo)致能耗的迅速攀升和電磁輻射日益增加構(gòu)成了困擾無(wú)限信息技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。Si—LDMOS工作電壓只有28V，無(wú)限基站電子系統(tǒng)一般要求工作電壓為48V，為此必須靠多級(jí)轉(zhuǎn)換電路來(lái)提升功率電壓。
GaN射頻功率器件則可工作在50V，省去轉(zhuǎn)換電路造成的功耗損失，所以說(shuō)GaN器件取代Si—LDMOS器件用于基站的功率放大器，效率可提高2—4倍。因此，在基站不變情況下，可提供更高傳輸速率，而且不需要強(qiáng)風(fēng)冷，可安裝在室外。智能移動(dòng)終端是這幾年來(lái)發(fā)展*快的，而且占據(jù)市場(chǎng)*大的產(chǎn)業(yè)。平板顯示是人機(jī)聯(lián)系和信息展示的窗口，沒(méi)有顯示技術(shù)就沒(méi)有現(xiàn)代信息技術(shù)，因?yàn)槟愕男畔⒉荒鼙硎龀鰜?lái)。所以移動(dòng)終端的信息顯示顯得非常重要，目前移動(dòng)終端顯示主要是靠液晶顯示。智能手機(jī)和平板電腦在信息的移動(dòng)終端不是通電話，不是發(fā)短信，而是一個(gè)信息處理的平臺(tái)。幾乎所有的信息功能都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到這個(gè)平臺(tái)上完成。所以說(shuō)將來(lái)可以無(wú)處不在的處理辦公事務(wù)，可以移動(dòng)處理。這種狀況就需要超高的功耗，和顯影功能。近年來(lái)興起的IGZO寬帶隙半導(dǎo)體材料作為T(mén)FT驅(qū)動(dòng)，功耗大大降低。目前的iPad、iPhone等智能移動(dòng)終端平均工作負(fù)載下載系統(tǒng)(CPU+硬盤(pán)等)的能耗和顯示的能耗比例越為1：1，使用IGZO，個(gè)人電腦將節(jié)能25%，這對(duì)于iPad等靠電池工作的終端就很重要。

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