構(gòu)成智能城市的半導(dǎo)體

IT 技術(shù)使城市更加“智能化”。城市智能化主要是 ：通過 IT 技術(shù)，使水、電、煤氣，還有寫字樓與工廠、住宅等建筑，以及交通機(jī)構(gòu)等互聯(lián)，提升能源使用效率，創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境。如今世界各地開展著許多智能城市的示范實(shí)驗(yàn)。

這一實(shí)驗(yàn)的主角是電力公司、IT 企業(yè)以及城市設(shè)計(jì)咨詢公司。但是，半導(dǎo)體廠商正在不斷變成最重要的參與者。智能城市建設(shè)中，半導(dǎo)體是不可或缺的關(guān)鍵之一。盡管市場有限，但是預(yù)計(jì) 2020 年，智能化領(lǐng)域的半導(dǎo)體市場規(guī)模相對于2010 年將擴(kuò)大 20 ～ 30 倍。

半導(dǎo)體廠商是“協(xié)調(diào)員”

智能電表是指在傳統(tǒng)的電表中加入通信功能，而智能電表就是由許多半導(dǎo)體器件組成的推進(jìn)城市智能化的代表性設(shè)備。目前世界各地都在紛紛安裝智能電表。

智能電表具備的通信功能可分為兩類。聯(lián)接電力公司等所需的通信功能（NAN ：鄰域網(wǎng)）、與家內(nèi)其他設(shè)備互聯(lián)所需的通信功能（HAN ：家域網(wǎng)）。也就是說，智能電表中除了要有測量用電量的半導(dǎo)體器件之外，還有對其進(jìn)行控制的半導(dǎo)體器件，相應(yīng)地分為 NAN 與 HAN 兩組通信半導(dǎo)體。不僅如此，還需要有許多安裝于半導(dǎo)體器件周邊的存儲器和功率半導(dǎo)體器件等。

進(jìn)而，與智能電表相互聯(lián)的家內(nèi)設(shè)備也需要具有通信功能。例如，測量溫度的恒溫器、智能家電產(chǎn)品、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電動汽車、煤氣表、水表等，要互聯(lián)的家內(nèi)設(shè)備有很多種（圖 1）。這些設(shè)備在人類毫無覺察的情況下相互通信。

美國 Texas Instruments 公司微處理器事業(yè)部總經(jīng)理Markus Staeblein 稱 ：“盡管家中狀況各不相同，但是在任何環(huán)境中所有東西都要互聯(lián)，這就需要選擇擁有成功解決方案的半導(dǎo)體廠商?，F(xiàn)在更要求半導(dǎo)體廠商的綜合實(shí)力”。

其中的“綜合實(shí)力”不僅指技術(shù)實(shí)力。為了使各種設(shè)備良好地互聯(lián)，電力公司、電表廠商、家電廠商、汽車廠商都需要緊密配合。而由于半導(dǎo)體廠商處于各行業(yè)之間，因此擔(dān)任起了聯(lián)結(jié)各方需求的協(xié)調(diào)員的角色。

為何半導(dǎo)體廠商可以作為協(xié)調(diào)員呢？那是因?yàn)槲锱c物開始互聯(lián)，半導(dǎo)體市場將快速擴(kuò)大。目前，電力領(lǐng)域的智能電表每年生產(chǎn) 5 000 萬部，未來每年超過１億部是毫無疑問的，半導(dǎo)體市場也將相應(yīng)達(dá)到 100 億元規(guī)模。如果智能水表、智能煤氣表等也隨之得到普及，不久就會形成兩、三倍規(guī)模的大市場。如果包括一些家用設(shè)備內(nèi)置的通信半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體器件相關(guān)的市場規(guī)模還會進(jìn)一步擴(kuò)大。

建筑與汽車都將聯(lián)入通信網(wǎng)進(jìn)行管理

不僅住宅，辦公室、工廠、商店也開始致力于智能化，利用 IT 技術(shù)提升能源使用效率。BEMS（建筑物能源管理系統(tǒng)）就是其中一個解決方案，在 BEMS 中，半導(dǎo)體業(yè)發(fā)揮著重要作用。

例如，辦公室內(nèi)有人時會自動打開照明，無人時會自動關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。為實(shí)現(xiàn)這一功能，需要在建筑內(nèi)設(shè)置半導(dǎo)體人感傳感器 ；為了控制空調(diào)，需要同樣在建筑內(nèi)設(shè)置半導(dǎo)體溫度傳感器與濕度傳感器 ；為了對照明進(jìn)行具體控制，還需要設(shè)置許多光亮度傳感器等。

其中一個具體的例子就是日本清水建設(shè)公司的建筑控制系統(tǒng)“清水智能 BEMS”。這是該公司基于“必要的人、必要的物、在必要之時、必要之處、僅提供必要功能”的理念來設(shè)計(jì)的。“清水智能 BEMS”內(nèi)配制了許多傳感器，通過建筑內(nèi)每個人攜帶無線個人識別電子標(biāo)簽，可以以每個人為單位控制空調(diào)與照明的使用（圖 2）。由于每個人對溫度與濕度、光亮度的舒適感程度的認(rèn)同不一樣，所以通過這一控制，能夠針對不同的需求，既改善個人的舒適度，又提升能源使用效率。

這里所用的傳感器以及個人識別電子標(biāo)簽也都是半導(dǎo)體，還有搜集傳感器信息通過程序進(jìn)行處理的單片機(jī)以及采集建筑內(nèi)信息所需的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也都由半導(dǎo)體器件組成。而未來很可能會在鋼筋與混凝土搭建的建筑內(nèi)到處嵌入大量的傳感器與單片機(jī)。

此外，如果根據(jù)室內(nèi)有幾個人、有沒有老年人或兒童而改變空調(diào)溫度設(shè)置，那么不僅需要人感傳感器，還需要人臉識別以及圖像處理功能，那就需要在攝像頭中配備相應(yīng)的半導(dǎo)體器件。

不僅是建筑物，汽車也將成為智能城市的一部分。例如電動汽車。電動汽車普及之后，許多人將集中于特定時間段進(jìn)行充電，這將對輸電網(wǎng)構(gòu)成極大影響，所以，基于半導(dǎo)體的電動汽車充電控制非常必要。

目前正處于通過實(shí)驗(yàn)探索電動汽車普及后的影響及其控制方法的階段。尤其是有許多將電動汽車作為蓄電池使用的研究，也就是所謂的 V2G（Vehicle to Grid，雙向輸電）。電力不足時，用電動汽車的蓄電池放電，電流流至輸電系統(tǒng)一側(cè)，替代發(fā)電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這一高級控制，就必須首先收集電動汽車與蓄電池等詳細(xì)信息。

電動汽車不同于自己家里智能電表進(jìn)行的通信，它需要在行駛過程保持長期的通信狀態(tài)。這樣一來，通過對某一區(qū)域內(nèi)有多少輛電動汽車、各自的電池余量是多少、將有多少充電需求進(jìn)行分析之后，就可以將電動汽車作為輸電系統(tǒng)的一部分進(jìn)行管理。為了控制電池，就需要測量電壓、電流、溫度等并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給管理方。支持實(shí)現(xiàn)這些功能的也是半導(dǎo)體器件，所以，如果估算包括充電器在內(nèi)的電動汽車半導(dǎo)體市場，僅電池管理與通信部分就將達(dá)到數(shù)百億元的規(guī)模。

城市整體就像一個電子設(shè)備那樣運(yùn)行

智能城市通過在所有場所設(shè)置傳感器，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行綜合控制，使得城市整體宛如一個電子設(shè)備那樣運(yùn)行，每當(dāng)光照、氣溫、濕度、人類行動等外部因素發(fā)生變化時，就會按照預(yù)先設(shè)定的條件進(jìn)行城市整體性的能源調(diào)整與優(yōu)化運(yùn)行。例如，根據(jù)天氣情況運(yùn)行空調(diào)進(jìn)行溫度管理、用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的剩余電力為電動汽車充電。這些都可以在無需人工干預(yù)下自動進(jìn)行，所有物與物都實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、聯(lián)動。可以說，這個過程中半導(dǎo)體起到了聯(lián)結(jié)作用。

20 世紀(jì) 90 年代以來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展結(jié)構(gòu)通常是通過巨額投資實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)能力來產(chǎn)生利潤。而未來，為了建設(shè)智能城市，半導(dǎo)體廠商作為零部件廠商，將為市場提供高精度傳感器與高端零部件，同時作為聯(lián)結(jié)產(chǎn)業(yè)界協(xié)調(diào)員的作用也將愈發(fā)重要。