全球芯片深陷能耗困局 碳基技术有望极大缓解能源危机

近年来，全球多地爆发能源危机且有愈演愈烈之势，引起了各国政府、企业以及科学家们的高度关注。随着万物互联人类已进入数字经济时代，这是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态。可以预见的是，未来几年芯片的能耗将呈指数级增长，解决芯片的能耗问题迫在眉睫。在近期举办的京台科技论坛和太原能源低碳发展论坛上，中国科学院院士、北京大学电子学院院长彭练矛给出了半导体领域节能降耗的解决方案——下一代的碳基芯片可以从根本上解决传统硅基芯片高能耗的问题。

现状 发展遇到“拦路虎”

每一秒，世界上都有数以千亿计的芯片在高速运转，它们一边将人们带入万物互联的数字时代，为人们创造便利生活，一边却也消耗着巨大的能源，给地球带来污染。

芯片从生产到使用过程中都需要大量的能源供给。数据显示，2019年台积电用掉了143.3亿度电，这些用电量相当于深圳约1300万的人口一年的用电量。目前广泛使用的硅基芯片由于其自身特性，能耗难以降低，是名副其实的“电老虎”。为降低其能耗，世界各国政府和科学家们尝试过多种方式，但收效甚微。

数据中心作为硅基芯片的主要“聚集地”,也成为了全球五大主要耗能产业之一。近年来，各国数据中心建设速度显著增加，全球总量已超300万个，耗电量占全球总耗电量的比例为1.1%～1.5%，未来还将呈指数级增长。能耗持续走高，节能降耗减排形势严峻。曾有调查显示，仅 2017 年美国的数据中心就消耗了超过 900 亿千瓦时的电量，需要 34 家大型燃煤电厂发电才能满足这些数据中心的电力需求。

在我国，数据中心数量已超40万个，按照当下的发展速度，到2023年所有数据中心的年用电量将约等于2.6个三峡大坝的年发电量。这巨大的耗电量并不是危言耸听，而是根据实际情况推出的结论。2020年底，中国数据中心耗电量就已突破2000亿千瓦时，而我国数据中心机架规模年均增速保持在20%左右。

2020年底，在我国召开的中央经济工作会议上就明确提出了“做好碳达峰、碳中和工作”，要求二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。碳中和目标的达成，数据中心扮演着重要的角色。

“据国际权威委员会预测，芯片用电量约在2040年前就会超过我们人类现在所有能源的总量。按照这样的发展速度，芯片用电很快就会成为人类用电最大的用户，现有的电力产能将难以为继。”彭练矛说。

思变  多种方式治标难治本

降下芯片能耗这是一个世界级难题。海水冷却、气流优化、水下数据中心等新型节能模式尚在摸索中。脸书将数据中心建在瑞典的森林里，位置极为接近北极圈;谷歌也有将数据中心建在海面上的方案，但目前尚未实施;我国一些互联网巨头企业将数据中心建设在山洞里、湖水下……哪种方式最有效目前尚无定论，但各种方式的弊端却逐渐显现。

数据中心建设在海底，存在维修困难、改变周边海水生态环境等问题;建设在水上需要投入大量的资金进行防潮处理;气流优化也存在选址问题，并不是所有国家、所有企业都有条件将数据中心设立在寒带……在寻求绿色数据中心的路上，旧的问题还没有完全得到解决，新的问题又不断浮现。

“从目前广泛使用的硅基芯片来看，其性能基本已经达到极限。未来每向前走一步，其综合性能只能增加百分之几十，与此同时却要付出巨大的能耗代价。但倘若没有芯片性能的提升，数字经济和未来智能社会的发展就会成为一句空话，甚至可以说人类的发展也会受到制约。”彭练矛说。

征途漫漫，但追寻的脚步从未停歇。如何才能实现标本兼治?彭练矛及其团队经过20余年的潜心研究终于给出了答案：“生死一世，薄若浮尘，来去炭灰。”彭练矛认为，世间万物都是从自然中来，最终也要回到自然中去。芯片也应如此，下一代的碳基芯片可以从根本上解决传统硅基芯片高能耗的问题。

破局 新材料迎来新转机

追风赶月莫停留，平芜尽处是春山。秉持着择一事终一生的专注，彭练矛团队用碳纳米管这种全新的材料制备出性能高功耗低的碳基芯片，从根本上解决了硅基芯片的高能耗问题。

“收获金山银山的同时也要守护好绿水青山。碳基芯片为解决全球能耗危机提供了新的思路和可能。我们经过20年的探索，证明了这条路是行得通的。”彭练矛说，当下所使用的硅基芯片已接近物理极限，碳基芯片未来将成为主流。碳纳米管从自然中来，回馈给世界的也是一片绿色。作为一种可循环的高性能芯片技术，它不仅会为我国‘双碳’目标的实现做出应有的贡献，也是对全球可持续发展的重要贡献。

彭练矛认为，从能源角度来讲，人类对于大数据等的运算需求是呈指数级上升的，但人类未来能够获得的能源却是按照每年2%-3%缓慢上升。按照当下的发展速度，快速上升的芯片用能很快就会超过人类能源的拥有量，目前的估测结果是在2040年，仅芯片用电就可超越人类所能获取的所有能源的总和。所以我们必须研发出全新的、高能效的芯片技术。

碳基技术有望做到能将能效提高成百、上千倍，可以极大缓解能源危机。相比之下，目前的硅基技术从14nm—10nm也只提升了百分之几十而已。最重要的是，碳基技术可以消耗CO2，碳芯片也可在大自然中降解，回到大自然中。“carbon to carbon，这是碳基技术对双碳的新注释，也完全符合国家对未来发展的双碳要求。尽管实现产业化发展还有一段路要走，但日拱一卒，终将改变世界。”彭练矛说。(谭岩)