A fosszilis energiahordozók felhasználásából eredő környezetszennyezés egyik legfőbb felelősei a gépjárművek, amelyek a mai adatok szerint a teljes napi foszszilisüzemanyag-fogyasztás 45-50%-áért okolhatók. Bár szívesen tudósítunk minden ígéretes fogyasztás- és szennyezéscsökkentési kezdeményezésről a gépjárműipar fejlesztőitől is, a továbbiakban ezt a területet hanyagoljuk, és csak az elektronikával foglalkozunk.
A fennmaradó kb. 50% fosszilistüzelőanyag-felhasználás tehát az elektromos energia előállítása során történik. Az Amerikai Egyesült Államokban 2005-ben több mint 4000 milliárd kWh elektromos teljesítményt fogyasztott a népesség, amelynek több mint felét elektromos motorok működtetésére fordították [1]. A váltakozóáramú kismotorok hatásfoka 50% is lehet, és bár a motor méreteinek növekedésével a működési hatásfok akár 90%-ra is nőhet, a kismotoroknál is vannak lehetőségek a hatásfok növelésére és a fogyasztás visszafogására. A nem állandó motorsebességgel és az intelligens terhelésillesztéssel például a teljes működési tartományban jelentősen növelhető a motorok hatásfoka, ráadásul mindez elérhető költséghatékony programozható áramkörök és optimalizált szoftver használatával. Az amerikai elemzők szerint csak ezzel a lépéssel az USA évi fogyasztása 300 milliárd kWh-val csökkenthető lenne, amely több milliárd dollár megtakarítást és több mint 180 millió metrikus tonnával kisebb mennyiségű károsgáz- kibocsátást eredményezne.
A fokozódó rossz helyzetért azonban mégsem egyedül a villanymotorok, hanem egyre inkább a számítástechnikai és távközlési rendszerek a felelősek. Az USA-nál maradva országos szinten az elfogyasztott energia 2%-át a szerverfarmok használják el. A Gartner piackutató elemzői 2006 novemberében 2008 végére azt jósolták, hogy a világszerte működő adatközpontok fele teljesítményfelvételi problémákba fog ütközni, ugyanis a növekedő számítási kapacitás mellett nem jut majd elegendő energia az elektronikus eszközök hűtésére, amelyre egy-egy adatközpont jellemzően a teljes felvett energiának több mint 60%-át kénytelen fordítani. A probléma tehát közel sem új keletű, az elmúlt években igen sokat foglalkoztak vele egyéni fejlesztői, nagyvállalati és kormányzati szinten egyaránt a világ minden táján. Ennek megfelelően számos megoldás és elképzelés látott napvilágot, amelyek között éppúgy voltak elgondolkodtató és perspektivikus elképzelések, mint komolynak szánt, ámbár inkább csupán megmosolyogtató próbálkozások (jellemzően a Távol-Keletről, lásd a Toyota Idea Olimpics ötletbörzén bemutatott hörcsöghajtású autó koncepcióját).
A félvezető-ipari és elektronikai vállalatok erősen profitorientált cégek, komoly konkurenciával maguk körül.
Könnyen belátható, hogy ahhoz, hogy érdemben kezdjenek el foglalkozni a fogyasztáscsökkentés kérdésével, ilyen irányú befektetéseiknek közvetlen megtérülését szeretnék látni. Vajon miért állna például egy elektronikai tervezőcégnek érdekében kisebb fogyasztású termékkel előállni? A hordozható készülékek fejlesztőinél a kérdésre egyszerű a válasz: minél kevesebbet fogyaszt a rendszer, annál hosszabb ideig működőképes egyetlen feltöltéssel az eszköz, és annál ritkábban kell a telepét cserélni/tölteni. Tudván, hogy még ma is ritkaságszámba mennek azok a modern mobileszközök, amelyek két napnál tovább működőképesek egyetlen feltöltéssel, megállapíthatjuk, hogy az e téren végzett fejlesztések legfeljebb az új funkciók által igényelt többletenergia fedezésére elegendők, végeredményben tehát ugyanott vagyunk az üzemidő tekintetében. A másik fő indok a szintén sok alkalmazást érintő hűtés kérdése, amelynek komoly kihatása van az áramkörök tokozására és a rendszertervezésre, így a költségekre is. A rosszul optimalizált és a teljesítményfelvételt tekintve gyengén menedzselt rendszerek rengeteg hőt termelnek szükségtelenül, és nemcsak a saját, hanem a hűtésükre rendszeresített megoldások is elfogadhatatlanul nagy zajt generálnak és sok energiát emésztenek fel. Végezetül nem lebecsülendő a „zöldség" marketingereje sem, hiszen – akárcsak például egy sportszermárkánál – az elektronikában is nagy jelentőséget tulajdonítanak annak, hogy általánosan elfogadott nézeteknek feleljenek meg.
A médiákban megannyiszor mutatott, a klímaváltozás miatt látványosan kettétörő jégtáblák és a természetes életkörülményeikben veszélyeztetett sarki rókák látványa mindenkit meghat, beszéljünk akár az utca emberéről vagy a cége számára beszállítót kereső felső vezetőről.
De kanyarodjunk vissza a probléma műszaki oldalához! John East, az Actel mikroelektronikai cég elnök-vezérigazgatója a Globalpress Electronics Summit 2008 konferencián elmondta, hogy szerinte alapvetően négyféle fogyasztást célszerű félvezető eszközöknél megkülönböztetni: ezek a dinamikus, a működési küszöbérték alatti veszteségi, a gate-oxidban alagúthatásból adódó és az egyéb tényezőkből álló (oldalirányú alagúthatásból, pn-átmeneti szivárgásból stb. adódó) fogyasztások. Ezek kézben tartására és visszafogására az utóbbi években az alábbi négyféle technológiai, ill. architekturális újítást vezették be:
- low-κ dielektrikum1,
- feszített szilícium2,
- többmagos feldolgozóegységek,
- high-κ dielektrikum3.
Image
Odáig már eljutottunk, és nagy a nemzetközi egyetértés abban, hogy az elektronikai rendszerek nagy teljesítményfelvételét mielőbb csökkenteni kell, de abban nincs megegyezés, hogy mit kellene tenni ennek érdekében. Melyek tehát a lehetőségeink, hol és hogyan kell nekilátni a probléma megoldásának? Elektromos áramra a továbbiakban is szükség lesz, meg lehet vizsgálni ennek előállítási alternatíváit. Az ún. bioüzemanyagokkal kapcsolatban hamar fény derült arra, hogy a hagyományos üzemanyagokhoz képest még erősebb üvegházhatás-serkentő hatásuk lesz, ha érdemben elkezdünk áttérni használatukra és megnő a bioüzemanyagok finomításával foglalkozó üzemek száma, a szállítmányozás és a kapcsolódó tevékenységek mértéke. A tiszta nukleáris energia jelenthet ugyan megoldást, de számos probléma akadályozza a széles körű alkalmazását (gondoljunk a biztonsági/nemzetbiztonsági, hulladékkezelési és tárolási gondokra). A hidrogénalapú üzemeltetés ígéretes lehet, azonban az előállítása a jelenlegi technológiákkal nagyrészt olajból és természetes gázokból történne. A természetes vizek felhasználásával nyerhető energia tiszta és nem szenved az előzőeknél ismertetett hátrányokról, azonban a kihasználható lelőhelyek gyakorlatilag elfogytak. A napenergia alighanem tökéletes megoldást jelentene, hiszen a bolygót évente érő, kb. 3850 ZJ4 nagyságú napenergiához képest a 2004-ben számított 0,471 ZJ világszintű fogyasztás elenyésző. Nagy hátránya viszont, hogy a napenergia kihasználhatósága jelenleg nagyon drága, csapnivaló a hatásfoka, visszatetsző képet nyújt, és ennek tetejében megbízhatatlan is, fejlődésére és elterjedésére csak sok idő elteltével lehet számítani. A szélenergia jelenleg a legnagyobb ütemben növekedő felhasználásnak örvendő megújuló energiaforrás, bár jelenleg a globális fogyasztásnak mindössze 0,5 százalékát fedezik a szélerőművek, ráadásul a napelemeknél említett problémák itt is érvényben vannak.
Az idő nem a mi oldalunkon áll, mindenképpen szükség van mihamarabb áttérni jobb hatásfokú és tisztább villamosenergia-előállításra. Ez azonban nem holnap lesz, és addig is feltétlenül szükség van arra, hogy törekedjünk a minél energiatakarékosabb életvitel elérésére. Bebizonyosodott, hogy önmagában nem elegendő a használaton kívüli gépeket és eszközöket kikapcsolt vagy készenléti állapotban tartani, törekedni kell azok használat közbeni energiafelvételének minimalizálására is! Ez pedig a félvezető- és gyártástechnológia-fejlesztő cégek reszortja. Bár jelentéktelennek tűnhet, ha egy-egy A/D-átalakító, FPGA, DRAM-modul vagy LCD-vezérlő a korábbi generációs eszközöknél néhány vagy néhányszor 10 százalékkal kevesebbet fogyaszt, ne feledjük, hogy ezeket elektronikai termékek százmillióiban, többnyire egymással kombinálva alkalmazzák, fokozottan építve a sok kicsi sokra megy elvre! Ezúttal az elektronikai gyártástechnológia vívmányait és lehetőségeit hanyagoljuk, a következő részben néhány világhírű elektronikai fejlesztőcég megoldásait tekintjük át példaként, igen röviden.
| 1 A félvezetőiparban használt ún. low-κ dielektrikumok olyan anyagok, amelyek dielektromos állandója a SiO2-éhoz
képest alacsony. A low-κ (szakirodalomban is gyakran csak „low-κ"-ként
aposztrofált) dielektrikumok implementálásával a gyártók célja a
miniatürizálási törekvések további támogatása volt. A
dielektrikum-rétegen belüli többrétegű fémezésnél lényeges, hogy a
szomszédos összekötések között a kapacitív csatolás olyan alacsony,
amennyire csak lehetséges. A SiO2
felváltása a low-κ dielektrikummal kisebb parazitakapacitást, nagyobb
kapcsolási sebességet és kisebb hőtermelést biztosít azonos vastagságú
dielektrikum alkalmazása esetén 2 A feszített szilícium (strained silicon) olyan szilíciumréteg, amelyben a szilíciumatomokat a normális atomközti távolságukon túlra feszítik. Ezt a szilíciumréteg SiGe szubsztrátra építésével érik el. A szilíciumatomok távolságának növelésével csökkennek a tranzisztorban lévő elektronok mozgásával interferáló atomi erők, így az elektronok mobilitása fokozódik, javítva a chip teljesítményét és csökkentve annak fogyasztását 3 Az ún. high-κ dielektrikum olyan anyagot jelöl, amelynek a SiO 2-hoz mérten nagyobb a dielektromos állandója. A high-κ anyagokkal is a SiO2 gate-dielektrikumokat cserélik le méretcsökkentési céllal. A dielektrikum vastagságának 2 nm alá csökkenése az alagúthatás miatt drasztikusan növekedő szivárgási áramot eredményez, amely révén rossz lesz az áramkörök megbízhatósága, és nagymértékben növeli a teljesítményfelvételt is. A high-κ dielektrikum alkalmazása nagyobb gate-kapacitás elérését teszi lehetővé a szivárgás nagymértékű növekedése nélkül, azonos fizikai méretek mellett. A hagyományos tranzisztorkialakításnál használják. Az Intel 2007 óta alkalmazza a hafniumot a 45 nm-es mikroprocesszorok gyártásában 4 Zettajoule = 10 21 J |
