電子業如何打造更加永續節能的世界

情況究竟有多嚴重？

首先，仔細看看目前的情況，以瞭解我們當前的處境和未來可能的走向。根據非營利組織2 Degrees Institute一項追蹤80萬年以來大氣中二氧化碳含量的計畫，全球二氧化碳含量正在飆升─從1922年的303.8 PPM增加到現在已超過400 PPM。無獨有偶，根據Seeking Alpha的世界能源年度報告，自1952年以來能源消耗增加7倍，其中大部分來自化石燃料。

推動全球能源使用大幅成長的部分原因是超大規模資料中心的使用需求—海量的工作至少需要備置5,000部伺服器，在約莫10,000平方英尺的空間內處理以千兆位元組(petabyte)計的資料量。這些資料中心能有效率地快速處理大量數據資料，並因此驅動人們對串流媒體、光速般的金融交易、大數據分析和人工智慧(推導與學習)的需求。為能實現這些需求，超大規模資料中心將消耗大量電力。根據國際能源署的資料中心和資料傳輸網絡報告，排除加密貨幣(crypto)用量後，2021年資料中心的能源消耗量介於220至330百萬兆瓦時(TWh)，約佔全球電力需求量的0.9至1.3%間，超越某些國家一年消耗的能源量。

此外，我們正在經歷網際網路流量的指數成長的時期。根據Statista資料庫提供的數據顯示，2021年全球有49億網路用戶，佔全球人口將近三分之二。同時，思科(Cisco)指出2022年全球網路流量將達到每月396艾位元組(exabyte)，高於2017年的每月122艾位元。總而言之，資通訊科技(ICT)產業佔全球碳排放量的 2%以上。

現在是採取行動的時刻

雖然電子產業的能源困境令人望而生畏，但並非無法克服。一來，較新的超大規模資料中心所使用的伺服器往往比舊的資料中心更加節能。根據英國的科學期刊《Nature》發表的一份報告顯示，傳統資料中心的電源使用效率(PUE)—也就是所需的總能源量除以用於運算的能源量—約為2.0，而超大規模資料中心的PUE約為1.2。

此外，在幾個關鍵領域方面，我們也能透過整合不同的永續實踐方法爭取更好的成果：

• 能源輸送：擴大對再生能源的使用，同時將資料中心和網路中心設置於接近風電和太陽能設施的地方，或是使用永續電池(如鎳鋅)等技術。世界各地主要的超大規模資料中心營運業者已經著手開始規劃全天候無碳能源的營運方式。
• 電子系統設計：電子系統設計的「系統到晶片」方法可降低功耗。而強化能量耗散的技術以及人工智慧等技術也可望優化晶片以提高能源使用效率。系統設計的另一個關鍵是不斷增加的軟體內容，涵蓋韌體到作業系統乃至應用程式軟體等。
• 矽晶科技：使用碳化矽等節能材料、FinFET等新型電晶體元件以及矽光子學和量子運算等技術優化能源使用。
• 營運方式：可於晶片和系統設計乃至電子設計自動化(EDA)解決方案、IP、製造和封裝組裝等整個供應鏈中採用永續措施。許多半導體公司已經設定溫室氣體排放減量的目標，而且還有許多進步空間。

節能設計的整體方法

現在讓我們深入研究系統設計領域。藉由採用從架構到簽核(signoff)的全面性軟體驅動方式，新思科技的客戶已經能夠實現50%以上的能效。現在就來看看主要設計階段，以瞭解新思科技解決方案幫助系統設計人員實現最佳效能功耗比(performance per watt)的方式：

• 軟體：軟體承擔許多繁重工作，包括協調晶片中的電源管理，並在SoC設計期間確定電源分析和優化的關鍵情境。因此，分析和優化軟體對於SoC的最高能效，將扮演重要角色。
• 架構：動態電壓和頻率調整(DVFS)、功率區域(power domain)和電壓島(voltage island)等電源管理策略可帶來實質的節能成效。除了這些策略外，藉由功耗性能的宏觀架構權衡取捨以及IP選擇和取捨也能將功耗降低30%至50%。
• RTL：針對時脈、資料、記憶體和glitch功耗的微觀架構權衡取捨，有助於節省成本、查詢及修復RTL電源模組，而使用工具導引的時脈閘控(clock gating)、資料閘控(data gating)和記憶體調整也能節省成本。這部份潛在的節能幅度為15%至30%。
• 實作設計：在動態和漏電(leakage)功耗、電源完整性(power integrity)與功耗、性能和面積(PPA)權衡取捨以及功耗感知測試模式生成等領域採用自動優化，可望節省10%至15%的功耗。
• 簽核：專注於功耗和電源完整性目標之簽核、動態和漏電功耗復原以及極度精確的工程改變指令 (ECO)變更可節省5%至10%的功耗。
• 驗證：將驗證工作集中在UPF供電意圖和以UPF驅動的功能驗證將有助於提升能源效率。

新思科技的客戶使用專用於設計和驗證高效能SoC的端到端解決方案，已經實現上述的節能效果。由軟體驅動以支援UPF (IEEE 1801)低供電意圖的低功耗設計解決方案有助於優化PPA，而低功耗驗證解決方案可幫助客戶團隊在設計週期的早期階段就能檢測並解決低功耗錯誤。專用於晶片設計的Synopsys DSO.ai™ 自主AI應用程式等技術則使用強化學習，以改善晶片的PPA。整合一系列低功耗IP的解決方案更有助於降低晶片功耗，同時加速上市時程。晶片生命週期管理擁有監控和分析用的晶片感測器，能夠提供關於功耗的實用見解。

打造智慧未來

從訂購雜貨的冰箱到手術機器人，現今世界上的智能化、網路互聯和自動化程度，已經令人嘆為觀止。雖然這些方法都能帶來許多好處，但同時也會在能源消耗和碳排放方面帶來巨大影響。

新思科技相信，我們在打造Smart Everything (萬物智能)的未來中扮演的角色，不僅為產業帶來巨大的機會，更肩負重大的責任，包括對環境的責任。新思科技把這樣的責任視為我們的智慧未來策略。我們認為，一個不永續、不公平又不安全的未來也不可能是智慧的未來。這項策略的環境項目有兩個面向。第一個面向是在我們的業務生態系統中進行合作，以推動積極的變革。我們透過不同的方式來操作，除了將可協助客戶降低功耗的解決方案推向市場，新思科技與其他20家公司也於2022年秋天向美國能源部(DoE)承諾，在未來20年內將半導體能源效率提高1,000倍。根據DoE的解釋，「未來20年能源效率擴展」(EES2)計畫背後隱含的構想是以2022年CHIPS和科學法案所設定的目標為基礎，達到能提高「美國半導體製造商的經濟競爭力，並強化美國境內能源供應鏈」的最終目的。諸如EES2之類的措施，以及半導體生態系中各企業為減輕對氣候造成影響而做出的相關承諾，都是讓人們邁向永續未來的重要行動。

新思科技環境策略的第二個面向是優化自身的營運足跡。減少溫室氣體排放只是眾多行動之一。此外，新思科技也是目前大型企業再生能源採購協議的四大主要租戶之一，每年從德州Throckmorton近期上線的風電場承租15兆瓦的風能。至2022年，新思科技連續第四年在全球營運方面獲得CarbonNeutral®公司認證。

最後，電子產業無疑能在創新的同時，為減輕對環境造成的影響善盡一己之力。而新思科技正是這個生態系統中引領創造更永續未來的企業之一。

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