大数据时代的半导体技术

郑有炓：尊敬的各位领导，各位来宾，女士们，先生们，早晨好!很荣幸应邀在今天的论坛上作一个研究报告，我报告的题目是“大数据时代的半导体技术”。大家知道近些年来信息技术日新月异的发展，信息的智能化、网络化的高度发展，特别是移动互联网和物联网的发展，实现了人、机、物三元世界的高度融合。例如2011年全球被复制和创建的数据量为1.8ZB，远超过人类有史以来所有印刷材料的数据总量。如果把1.8ZB的数据量刻录存在普通DVD光盘里，光盘叠加起来的高度将等同于从地球到月球的一个半来回，也就是大约720000英里。

我们知道大概10年以前我们认为信息可能会进入KB，可想而知现在的信息发展技术多快。这些数据不是资料，是一种战略性的资源。利用数据的资源发觉知识，提升效益，促进创新，使其为国家治理、科学研究、技术开发和企业决策乃至个人生活服务。大数据带来信息风暴正在变革我们的生活、工作和思维，大数据开始了一次重大时代的转型。所以说大数据是新一代信息技术的集中反映，也是新一代信息技术的主要特征。

大数据作为新一代信息技术，特别是作为信息技术的半导体技术，带来了良好的历史发展机遇，也使半导体技术带来严峻的挑战。大数据新一代信息技术必须应对节能降耗绿色发展。顺应全球节能减排的时代需求，各行各业都要节能减排。信息技术本身可持续发展必须要节能降耗，这是符合信息科学本身的科学需求。

2007年英国统计电脑等效排放的二氧化碳对气候的影响不亚于飞机。全世界电脑正常运行，每天向大气排放的废气大概是3500万吨。相当于100万架次进出英国的航班所带来的废气排放量，信息技术节能减排是非常重要的。大数据信息技术的三大技术设施;数据中心服务器、无线网络基站、移动终端平台。现代信息技术的发展，从硬件来说主要是这三个基础设施。现在可以说好多IT企业都围绕这三个方面运转，所以说这三个基础设施的节能减排是非常关键的。

数据中心的服务器是目前信息时代的基础设施，据统计1分钟微博上发生的数据量大于10万，Facebook浏览量一分钟超过600万，世界上每分钟产生1700TB的信息量。数据中心不是创造仓库的资料，它是需要运转的，它需要很大的供电量。2008年Google服务器系统耗电量接近1000兆瓦，2008年中国移动等三大运营商耗电量为231亿度电。

数据中心耗电最大的是电源转换，就是AC—BD电力转换。幕前的转换效率一般在60—65%，以外的能耗就转换为热量撒法出来，这些多余热量必须靠制冷设备散热。制冷设备的能耗占到了总能耗的45%，IT核心设备占30%能耗，系统配电占24%，服务器的耗电量是非常大的。怎么样降低数据中心服务器的能耗，是数据中心可持续发展的一个关键问题。随着数据中心的数据增加，将来就会导致买得起硬件，用不起电。

随着大数据在各个领域的广泛应用，数据中心的需求匀速增加，因而数据中心的电力消耗已经占到全球宁愿电力消耗的8%，预计电力消耗将会翻倍增长。数据中心对电力的巨大需求已经成为制约大数据技术发展的瓶颈，也就是说降低凝好是大数据技术可持续发展面临的最严峻的挑战。

半个多世纪以来，支撑电力系统发展的硅功率电子技术面临硅的“材料极限”已经难于满足类似数据中心服务器这类巨大能耗基础设施节能降耗的需求。第三代半导体材料是一种开关损耗小，耐高温工作能力强的新一代电子电子器件，是对传统电力电子技术的革命。与传统的硅器件相比，采用第三代半导体材料SIC、GaN无，器件能耗有望降低50%，又可工作在高极限环境温度。因此，可大大节省基础设备的冷却费用，并见效设备体积和大小。SiC、GaN器件开关时间高于Si—IGBT的2—3倍，将使无源元件电容电感减小，提高频率又可见效变压器的体积和重量，使设备体积和重量减小。

移动互联网基站是无线通信的基础设施，基站的功率放大是无线通信系统中最耗电的器件。它消耗系统近80%的电功率，只有10%用于有信号的发射。基站的能量消耗的非常大，消耗大了就会发热，就需要冷却。随着目前无限通讯的频率升高，从2G马上要向4G阔步，4G的覆盖率范围只有2G的1/16，所以说必须要提高功耗。如果说要提高4G的功耗就要耗电，无限信息技术迅速发展导致能耗的迅速攀升和电磁辐射日益增加构成了困扰无限信息技术可持续发展的主要挑战。Si—LDMOS工作电压只有28V，无限基站电子系统一般要求工作电压为48V，为此必须靠多级转换电路来提升功率电压。

GaN射频功率器件则可工作在50V，省去转换电路造成的功耗损失，所以说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，在基站不变情况下，可提供更高传输速率，而且不需要强风冷，可安装在室外。智能移动终端是这几年来发展最快的，而且占据市场最大的产业。平板显示是人机联系和信息展示的窗口，没有显示技术就没有现代信息技术，因为你的信息不能表述出来。所以移动终端的信息显示显得非常重要，目前移动终端显示主要是靠液晶显示。智能手机和平板电脑在信息的移动终端不是通电话，不是发短信，而是一个信息处理的平台。几乎所有的信息功能都可以通过互联网转移到这个平台上完成。所以说将来可以无处不在的处理办公事务，可以移动处理。这种状况就需要超高的功耗，和显影功能。近年来兴起的IGZO宽带隙半导体材料作为TFT驱动，功耗大大降低。目前的iPad、iPhone等智能移动终端平均工作负载下载系统(CPU+硬盘等)的能耗和显示的能耗比例越为1：1，使用IGZO，个人电脑将节能25%，这对于iPad等靠电池工作的终端就很重要。