2011年日本發(fā)生大地震后，能源問題乃至節(jié)電措施成為日本全社會的課題。當然，這個問題還遠沒有結束。在即將到來的冬季，甚至是明年夏季，電力供應緊張的危機恐怕還會再次襲來。
在電子技術領域，2011年也是耗電問題作為最大技術課題浮出水面的一年。當然，低耗電技術向來都是重要的技術，不止現(xiàn)在，從幾十年前起就一直如此。但最近在多個領域，其重要性急劇提高。只有實現(xiàn)低耗電，才能再談及其他問題。
其代表便是超級計算機。2011年6月，日本理化學研究所（以下簡稱理研）的超級計算機“京”以超過8PFLOPS（1秒內(nèi)運算0.8億億次）的浮點運算性能躍居世界首位。其實，對很多超級計算機廠商來說，達到10PFLOPS是近5～6年內(nèi)的最大目標。隨著這一目標的實現(xiàn)，他們又紛紛轉向了實現(xiàn) Exa(100億億次或1018）FLOPS級超級計算機上。如果筆者沒記錯的話，美國在2008年前后起動了多項以Exa為目標的大型項目，但直到2011年6月這些項目都處于半秘密狀態(tài)。2011年6月以后，這些項目迅速浮出了水面。順便提一句，這些項目將實現(xiàn)Exa的目標時間定在了2017～2018年，即6～7年后。
技術開發(fā)的波及效應還將惠及智能電話
不過，Exa級超級計算機的技術難度遠遠超過以往的超級計算機。接近摩爾法則極限的制造工藝微細化、超過1000個內(nèi)核的眾核化、網(wǎng)絡傳輸延遲的增大等，無論從哪一方面來看，都是前途多舛。其中，最大的課題就是耗電問題。
即使不在耗電上做特殊的技術創(chuàng)新，只要不惜重金擴大節(jié)點數(shù)量，Exa超級計算機也不是沒有實現(xiàn)的可能。不過，問題在于這時每臺超級計算機的耗電量會達到1000MW（100萬kW）。也就是說，相當于一座典型核電站的發(fā)電量。照此計算，一年的電費就需要大約1000億日元。這一金額與理研超級計算機 “京”的單臺開發(fā)總費用基本相同，每年的電費即使是對地震前的日本而言，也是不現(xiàn)實的。
當然了，這在美國也不現(xiàn)實。因此，美國政府對Exa超級計算機的開發(fā)規(guī)定了條件，為單臺耗電量上設定了20MW的嚴格上限。這就意味著，要將單位耗電量下的運算性能（節(jié)能性能）提高到50GFLOPS/W，也就是現(xiàn)有最高級別超級計算機的約25～50倍（現(xiàn)有普通微處理器產(chǎn)品的約100倍）。英特爾的開發(fā)目標也與此一致
如果今后7年內(nèi)要使節(jié)能性能達到目前的50倍，就需要以每年約1.75倍的速度提高節(jié)能性能。雖然有望“在18月～2年內(nèi)達到2倍”，稍稍超出摩爾法則，但實際上并不是只要求在性能上勝出，還附帶有耗電量幾乎不能增加的條件?？梢哉f，這是一個比摩爾法則要嚴格得多的門檻。
由于門檻較高，因此必須開發(fā)的要素技術有很多。如果不將前面提到的眾核技術及微細化也全部囊括在內(nèi)實施整合，就無法滿足要求。另外，也許還需要導入光 CMOS技術等全新的技術。但即便如此，低耗電技術仍是應用性很高的技術。在這些要素技術實用化之后，還有望為超級計算機以外的更貼近生活的領域帶來較大的波及效應，比如個人電腦及智能電話也可大幅降低耗電，減少電磁噪聲，并大幅縮小尺寸。
“能源納米技術”也將亮相
在低耗電尤為重要的技術領域，還有一種可謂與超級計算機比拼高運算性能的技術處于相反一極的用途，這就是“能量采集”。此類技術可通過從周圍環(huán)境中 “收獲”電波、室內(nèi)燈光、溫度差、振動及壓力等多種能量，利用這些能量產(chǎn)生的數(shù)μW或以下的電力來驅(qū)動無線傳感器。最近，隨著功率轉換元件技術愈發(fā)簡練，MCU及其周邊電路技術走向低耗電化，還提出了多項使整個無線傳感的平均耗電量降至1μW以下的技術方案。
如果傳感器以1μW的電力工作，便可在室內(nèi)照明下，將1cm見方的太陽能電池用作電源。大約10年前，1μm以下尺寸的微細加工技術被稱為“納米技術”，推動了之后的MEMS及NEMS（Nano Electro Mechanical Systems）技術的發(fā)展。而目前的能量采集技術，其最尖端技術也可稱為“能量納米技術”，今后也有望給傳感器的發(fā)展帶來深刻影響。
從IBM及英特爾等大廠商的技術開發(fā)來看，Exa超級計算機自不必說，個人電腦及服務器也以竭力追求高性能為主流。最近英特爾還在開發(fā)利用電波能量的技術，可見，從超級計算機到能量采集元件，該公司都始終保持著對低耗電技術的敏銳嗅覺。
另外，美國德州儀器（TI）等各MCU廠商，以及富士通、村田制作所、羅姆及NTT等日本企業(yè)也很早就意識到低耗電技術今后將成為競爭的焦點。誰將成為競爭的勝者？又會有什么新技術及用途誕生？今后筆者將繼續(xù)追蹤采訪。