袁理 袁理：给手机和汽车充满电，未来可能就是几分钟的事 | 造就

第219位演讲者:李源

上海微技术产业研究所电力设备部主任

我今天演讲的题目是:超越摩尔定律。摩尔定律是戈登·摩尔博士在1965年提出的。其内容是集成电路每单位面积的元器件数量每18-24个月翻一番。

在这个规律的驱动下，我们可以想象，每隔一个周期，集成电路的元器件就会缩小尺寸，增加密度，提高性能，降低成本。

半个多世纪以来，摩尔定律推动了半导体工业的发展。随着技术的进步，最先进的半导体集成已经达到了几个纳米的水平，但是摩尔定律越往下越难，需要的资源越多。

现在，我们需要思考:半导体行业的每个分支和领域都需要遵循摩尔定律吗？以后每个分支的难度会增加吗？答案其实不是。

超越摩尔技术

这里有一张图片。左边的紫色部分是传统摩尔定律的一些分支，主要集中在数字电路上，比如CPU和内存，随着时间的推移会越来越小，性能也越来越好。

但是在半导体行业，大量领域并不遵循这个规律。他们不追求减小器件尺寸，而是追求为更多种类的器件和更激动人心的应用开发更多新材料。我们把这种不遵循摩尔定律的分支称为“超越摩尔”。

超越摩尔的具体方向有哪些？比如常见的微波通讯设备、无人设备、工艺设备、MEMS设备、手机中的加速度计、陀螺仪、身份证中的小接触芯片等...这些都超出了摩尔的领域。

今天我用摩尔领域以外的具体例子给大家一些前景。说到超越摩尔，难免会提到一种新的半导体材料，因为任何新技术的发展都离不开材料的推广。我国有句话叫普通半导体材料分三代。

到目前为止，第一代半导体材料以硅为代表，第二代半导体材料以砷化镓为代表，电子迁移率高，特别适合高速应用场景；以氮化镓和碳化硅为代表的新型第三代半导体材料，特别适合大功率、高效率的工作。这三代材料相辅相成，相互丰富。

说到第三代半导体材料，我们从氮化镓开始。

什么是氮化镓？

这种材料历史悠久。第一种合成氮化镓材料提出于摩尔定律之前的1964年，但直到80年代才第一次实现工业应用。它的第一个应用方向是LED。

氮化镓的第二个应用领域是微波器件。微波设备最初被用作军事雷达，现在民用基站已经开始使用它们。随着氮化镓材料的不断发展，其可接受的电压越来越高。

氮化镓的第三个应用领域是作为电源、适配器等基础电源工作。

新材料的未来前景

接下来，我想谈谈这种新材料在未来几年可能给人们生活带来的一些变化。

第一个是微型LED。现代LED尺寸比较大，可能几十到几百微米，主要起到提供亮度的作用。

随着技术的发展，发光二极管可能会越来越小，小到显示屏的每个像素都由一个发光二极管灯组成，一个像素就会发出红、绿、蓝光，这使得我们的显示屏更加明亮、高效、色彩更加真实、更加节能。

目前，消费领域普遍认为微Led可以成为下一代显示技术的主流之一。在未来几年，我们将在可穿戴设备、智能手机和个人终端中看到这种应用。

未来的第二种可能是用最新的材料加固氮化镓。我们都知道DIA很贵，一般都是用来装修的，但是不清楚有没有很多工业用途。我们可以将人造金刚石加工成圆盘，用氮化镓薄膜覆盖，然后制作出我们想要的各种器件结构。

拿这么贵的材料做这个工作有什么好处？可以提高氮化镓的性能。氮化镓这种新材料生长在碳化硅上，其输出功率密度可以达到过去氮化镓或硅的10倍。如果在DIA上镀氮化镓，其输出功率密度可以达到过去的30倍，意义重大。

什么意思？我们以雷达为例，这意味着雷达的探测范围可以增加，性能可以提高180%~200%，具有重大的军事意义，意味着我们的战斗机可以先于对手找到对方。

同时，这在民用领域同样重要。在民用基站中增加基站的输出功率，意味着单个基站的覆盖面积可以大大增加，也意味着基站密度更高，硬件设备投入更少，从而降低日常电信使用的开销。

另一点是，在消费电力行业，氮化镓可能在未来几年引发一场电力革命。

第一部分是充电。以前手机充电要两个小时，现在可以半个小时20分钟。今天的技术仍然是基于传统的硅技术。如果把氮化镓这种新材料新技术引入手机快速充电领域，可以大大缩短充电时间到10分钟、5分钟甚至更短。

同时可以让充电器更小更精致。另外，未来基于氮化镓的快速充电可以同时支持多种设备，比如给手机、iPad、电脑等充电。

氮化镓除了有线充电，无线充电也有很大的技术进步。

无线充电的概念早在几年前就提出来了，但该产品并没有在市场上全面推广。一方面，由于其性能缺陷，如传统硅的限制，无线充电的输出功率较低；另一方面，无线充电速度慢，手机需要与无线充电器紧密接触，一次只能给一部手机充电。

但是，随着氮化镓等新材料的应用，我们可以大大增加无线充电的功率，可以同时为几个设备供电，并远离手机。

我们可以想象一个场景，几个朋友一起去餐厅吃饭。如果餐厅的餐桌上安装了氮化镓无线充电器，我们可以在用餐时随意将手机放在桌子上。饱餐一顿后，我们每个人都有一部充满电的手机。

建设绿色数据中心

还有一个应用场景，和我们个人没有直接联系，但是很重要，那就是数据中心。

众所周知，现在是智能时代，云计算时代，互联网时代。我们强调万物互联，一切都要和互联网相连。在万物互联的背后，需要大量的数据中心来处理和存储网络数据。

虽然全球数据中心的规模在不断扩大，但全球数据中心的功耗已经达到了不可忽视的水平。

据统计，去年全球数据中心总用电量超过4000亿千瓦时，超过了英国每年的总发电量，约占全人类总发电量的2%~3%。

我们知道智能时代才刚刚开始，随着智能技术的发展，未来需要更多的数据中心。可见，随着技术的发展，未来数据中心的用电量可能会占人类用电量的很大比例，甚至超过一半。

这种情况也给世界各国带来了巨大的能源安全压力和环境污染。所有国家都在寻求新的解决方案。这是什么？就是绿色数据中心。

我们希望通过一些技术手段来降低数据中心对能源的依赖，其中氮化镓是一个很好的方法。例如，使用氮化镓作为数据中心的电源，在同等条件下，可以减少30%~70%的电量，降低30%~40%的功耗。

根据我们目前的计算，如果世界上所有的数据中心都使用氮化镓电源，我们每年可以节省数十亿美元的电费。

我们谈了很多氮化镓目前的应用以及未来几年日常生活的变化。其实这些新的变化都离不开材料的不断迭代。

比如LED中，蓝宝石上生长了大量的氮化镓。未来，随着技术的发展，我们可以看到更多新的材料形式的诞生。我们可以看到氮化镓生长在我们自己支撑的氮化镓上，可以大大提高LED的亮度和效率。

在某些特定领域，氮化镓的性质已经不能满足人类的需求。我们希望生产更新的材料，所以我们可以从摩尔领域之外的大范围寻找这些精细的分支材料。

我相信在摩尔之外的领域，随着技术的进一步发展，未来会给人类生活带来越来越直观的提升和保护。

谢谢大家。