綠色工程:產業革新的契機

2023-02-13
作者 Anthea Chuang、Susan Hong、Ryan Tsai,EE Times Taiwan

綠色工程(Green Engineering)是整個社會的熱門話題。若整個產業,尤其是電子產業,不創造解決方案,那麼因溫室效應造成的氣候變遷問題就無法緩解!

綠色工程(Green Engineering)是整個社會的熱門話題。若整個產業,尤其是電子產業,不創造解決方案,那麼因溫室效應造成的氣候變遷問題就無法緩解!不容置疑,綠色工程為永續發展之必要手段。

藉由EE Awards Asia亞洲金選獎舞台舉辦的「EE大師論壇」,今年以Green Engineering實現綠色工程願景為主題,邀請業界的前輩、菁英分享企業如何發展綠色行銷策略、並創建綠色工程,研發出創新的綠色技術、或制定出對綠色市場有益的政策。未來10年沒有比轉型到淨零碳排、應對氣候變遷更重要的事,讓我們攜手一同迎接這場綠色革新、共享發展契機!

科技在淨零轉型中扮演重要角色

2015年可謂是具有里程碑意義的一年,地球暖化日趨嚴重所帶來的種種氣候與環境的衝擊,讓全球各國政府與人們意識到,遏止地球繼續暖化的重要性。因此,巴黎協議正式出爐,籲請全球各國致力節能減碳的相關政策和技術發展,盡可能將地球每年上升溫度不超過攝氏2度,並制定2030年的目標。

台灣為響應巴黎協定所立下的全球共識,也有所行動。台灣永續能源研究基金會董事長簡又新表示,透過四個策略與兩個基礎,台灣期盼可在2050年達到淨零的目標。其中,四個策略包括能源、工業、生活與社會的過渡,這四個過渡亦將牽涉到幾項重要的技術。

簡又新解釋,台灣要在2050年達到淨零的目標,需仰賴科技與開創新技術的工程師們。若將2050年淨零目標分為非電力與電力兩塊,要達到淨零的目標,新燃料CCUS製程應用,以及考慮石化燃料對環境的影響相當重要。根據統計,2020年關鍵技術/重點領域和實現淨零排放的年度投資包括:碳捕捉利用率與儲存(900萬美元)、核能發電(900萬美元)、氫基礎設施(70萬美元)、氫終端用戶(490萬美元)、電氣化(3,020萬美元)、高效節能(6,100萬美元)、電池儲存(520萬美元)、低排放燃料(1,320萬美元)、電動車(EV)充電設備(380萬美元)、電網(5,230萬美元)、可再生(1.15兆美元)。

由此可見,淨零技術是相當昂貴的投資,但簡又新強調,「節能減碳也驅動高盈利率。」因此,業者們的眼光要往長遠看,別因高昂的投資而退卻,最終無法獲得進行節能減碳技術或應用的研發而失去的龐大市場機會。

綠能智慧載具駛向節能環保新未來

交通載具(Vehicle)未來將經歷綠能與智慧化的變革,並牽涉全球每年數兆美元的商機及供應鏈的轉型;不僅如此,交通載具與其基礎建設將對廣大的機械、馬達、電子、ICT、軟體與服務等產業產生重大影響。工研院資深副總暨協理胡竹生指出,綠能載具的主要推手是降低溫室氣體排放,以及消弭移動汙染源,而其電動化與自駕化的主流趨勢,也驅使電子與ICT技術大量進入這個市場,同時讓各國政府思考未來智慧城市的樣貌。

從車輛產業的發展來看,胡竹生解釋,車輛產業中,車輛本身是產業的焦點,期可定義為載運人們、貨物和實現各種功能的有效載體,而車輛產業的趨勢則是綠能與智慧化,換句話說,就是能夠達成零排放和零污染,如電動車等新能源車,以及讓車輛自動化與自主駕駛的自動駕駛車。無論是綠能或是智慧化的趨勢,這些都將牽涉到電氣、電子、機械、材料和訊息/通訊領域之間的共同技術和跨學科合作的需求。

胡竹生進一步說明,車輛的電氣化發展趨勢的主要驅動力之一即來自全球共171個國家簽署的巴黎協定。根據統計,在美國,超有過50%的二氧化碳排放來自移動污染源(EPA資料);台灣環境規劃協會的資料指出,考慮到能源使用和電池製造,電動車的碳排放量約為化石燃料汽車的60%;不僅如此,根據2021年的資料,相較於一般燃油車(19.6%),電動車可帶來更高的毛利率(27.4%);且美國能源部(DOE)亦表示,電動車的維護成本每英哩0.06美元,更是比燃油車的每英哩0.1美元低上許多,因此各國政府與車廠紛紛啟動電動車的研發計畫。

另一方面,雖然目前自駕車的發展步調仍相當緩慢,市場尚未全面開展,但卻仍是未來車輛產業重要的發展方向。胡竹生認為,由於安全至上的考量,自駕車的市場當下還沒有明確的前景,不過,可以想見自駕車未來將為車輛產業創造相當大的市場商機,並成為智慧城市的一景。

 

自動駕駛市場前景備受矚目。

(來源:工研院)

 

根據IDTechEx、ISTI、工研院所做的調查顯示,預期自駕車至2030年將創造4,200億美元(包括MaaS在內為7,200億美元)市場規模,到2040年將成長到1.38兆美元(包括MaaS在內為2.5兆美元)。因此與電動車相同,相關業者也開始努力研發相關產品,而工研院也成立「智慧綠能載具策略推動辦公室」,以協助台灣廠商抓住電動車及自駕車的商機。

半導體材料為實現永續出力

「永續」已是全球公民的共同課題,但它和經濟發展不需要是選擇題。台灣默克集團(Merck)董事長李俊隆表示,我們只有一個地球,想盡辦法減少溫室氣體的排放,降低地球溫度的上升,可以說是全球共同的目標。但半導體產業製造過程中常需要大量的純水、電力,原材料也被視為不夠環保,舉例來說,一支手機的從製造到被淘汰的生命週期中,在製造階段的碳足跡就佔了80%,使用過程則是20%,因此在半導體電子產業,如何能夠做到淨零減碳,已成為未來半導體產業持續發展的重要方向。

而作為一家擁有254年歷史的公司,默克透過好奇心,投入於推進人類進展。李俊隆表示,默克將「永續」落實在商業策略和工作模式上,透過科學與科技的力量,默克期待能造福全球超過1億人口,並於2040年達到氣候中和,以及適時減少碳足跡。

在台灣,默克致力於深耕「永續」文化,透過不斷精益求精,於各廠區落實綠色生產與製程、綠色解決方案、以及對於所在社群推廣科普教育活動。李俊隆強調,即使為了綠色環保,在綠色材料開發過程與使用都會增加成本,但業者們都需有轉換到採用綠色解決方案的共識,共同為地球環境永續出一份力。

 

默克除研發綠色材料外,也致力協助全球業者達成節能減碳的目標。

(來源:默克)

 

行動通訊技術不再與耗電劃上等號

隨著數據流量持續暴漲,行動網路的耗電量自然也正比成長,據Exponential Roadmap統計,ICT技術產業僅佔全球碳排放量的1.4%,但能夠使其他產業,如能源、工業和交通運輸,減少15%的碳排放。因此台灣愛立信(Ericsson)副總經理暨技術長姚旦詢問「EE大師論壇」與會來賓,當前全球每年運作行動網路的能源成本為250億美元,從成本和碳排放的角度來看,耗能已成為行動產業面臨的最大挑戰之一。既然ICT產業具備減排的能力,那麼在資料流量不斷暴增的同時,ICT產業能夠做些什麼?

事實上,「行動產業的能耗曲線是可以被打破的。」姚旦說,根據愛立信行動趨勢報告統計,目前行動網路的電力用量佔全球用電量的0.6%;行動網路的碳足跡則是佔全球碳排放量的0.2%,而造就這一切的即為比過去10年大增287倍的行動資料串流量。然而愛立信深信,透過不斷的研究,能耗曲線不但可被打破,進而打造永續網路,ICT技術還能讓行動網路產業通往淨零的路徑。

透過持續的網路演進、擴展和現代化及更智慧的運作將是行動網路打破能耗曲線的三大方向。姚旦進一步解釋,透過網路規劃和營運的整體性方式,可助力企業實現業務和永續發展的目標;在擴展5G的同時,實現現有網路的現代化,則可提高60%的網路容量,並減少50%的耗能;以及利用人工智慧/機器學習和自動化來改善現有的行動網路基礎設施的佈建與用電量,甚至可在低流量時降低高達97%的功耗。

 

透過三大方式打破能耗曲線所打造的永續網路,是行動網路邁向淨零碳排的重要路徑。

(來源:愛立信)

 

姚旦強調,值此4G演進至5G的關鍵時刻,若業者們沒有任何作為,行動網路的耗電量將會永遠攀升。此外,上述提到的三個方向,業者不能僅想著這麼做可提升行動網路多少的覆蓋率與強化多少的訊號品質,而是須將能源消耗做為主要的指標,並盡可能降低廢棄物,才是真正做到節能、降低碳足跡。

永續發展始於設計

為了協助實現永續創新,EDA公司又扮演什麼角色?Cadence台灣區總經理宋栢安指出,隨著下一代運算與儲存容量倍增,為了從能源使用上保護下一代實現永續未來,EDA公司持續打造最佳化軟體工具,為各種半導體與電子設計提升效率,推動永續創新。

 

在大約5,340億美元的全球半導體市場中,EDA/IP產業儘管所佔規模不大,但影響2.9兆系統OEM的永續發展,在整個綠色產業鏈扮演關鍵角色。

(來源:Cadence)

 

針對從微型感測器到超大規模雲端資料中心應用,宋栢安強調,從簡化設計、降低功耗和散熱等最佳化,最後達到零碳排(ZCE),才能真正實現永續的生態系統。以產業鏈來看,從最基本的IC、IP和次系統等建構模組實現低功耗設計,並在系統級透過電子、電機與熱等多重物理分析,「讓EDA從電子設計自動化進展到Essential Design Automation」,有助於實現功率、空間與能源的最佳化設計,從而達到節能高效。

特別是當今資料中心、行動網路以及裝置等應用能耗已達到2,000TWh,宋栢安說,如果現有設計無法再進展,預計到2030就得消耗超過3,000TWh的龐大能源。為了從基本建構模組到系統實現全面最佳化,透過軟體在系統上預先進行模擬與運算,可望省下高達35%的能源。

Cadence為此提供了Vision IP (如可實現數位運算的DSP)、在設計早期預測功耗並進行前段分析,並進一步導入人工智慧/機器學習(AI/ML)等數位建置,可望協助產業從更高層次對設計、能源和資源進行全面節能與最佳化。

電動車駛向安全的未來

汽車是地表上最複雜的邊緣裝置,也面臨所有硬體設計的嚴苛挑戰。因此,為了讓車輛設計落實永續永未,恩智浦半導體(NXP Semiconductors)台灣區業務總經理臧益群指出,電動車、先進駕駛輔助系統(ADAS)、座艙體驗等幾個主要的發展趨勢,都正推動當今半導體產業朝向汽車電子化的方向變革。

例如,一輛電動車本身的電子零件使用量已相當可觀,為了實現電氣化還需要額外增加7千到1萬顆晶片。因此,如何把包含處理器和功率元件等全部的晶片整合在一起做到最佳化,基本上必須克服溫度、濕度、振動等物理挑戰。此外,還必須要能做到「超越電池之外」(Going Beyond Batteries),包括增加續航里程的充電能力、打造和現有加油站一樣普及的充電基礎設施、可靠的網路連接性以便於車輛存取、維護並保護資料和隱私。

 

車輛的電子和電機(E/E)架構持續轉型,並為軟體定義車輛(SDV)打造未來的硬體平台。

(來源:NXP Semiconductors)

 

汽車在未來變革的第一要務更著重在安全性。臧益群說,在未來車等新科技許下美好憧憬的同時,更重要的是兼具安全性。為了實現未來的安全汽車,則需要有強大的處理器、汽車的內網和對外的連結性以及自我學習AI的能力等三方面的支持。

「5年前的汽車中只有70顆處理晶片,處理1~6千萬行軟體程式碼,而今的汽車軟體中增加到6千萬到1.5億行程式碼,未來當達到Level 3~5自動駕駛等級時,更將突破3億行程式碼,這對於現有的100多顆處理晶片間如何協同運作將會是一大挑戰。」

為了進一步實現自動輔助駕駛,汽車網路正逐漸從分散式控制進展到集中整合,可望大幅減少銅的使用,並使系統更穩定、減輕重量以及提高續航里程。在此過程中,必須盡可能地整合硬體和簡化設計,因此,軟硬體的協同搭配、安全可靠以及融合AI和ML領域的最新創新與升級,才能完整實現安全的未來電動車。

GaN加速實現綠色節能

隨著AI、5G、高效能運算和物聯網(IoT)技術的發展,帶動從雲到端橫跨消費性電子產品、工業應用以及電動車等對運算效能的龐大需求,如何兼具效能並節約能源正成為全球企業的重大課題。

德州儀器(TI)副總裁暨台灣、韓國與南亞總裁李原榮表示,透過高整合的氮化鎵(GaN)研發節能解決方案,有助於讓電源供應系統以更小尺寸達到更高功率密度、增強系統可靠度並降低電源損耗,從產品設計源頭即注入綠色能量。

但是,如何將GaN或SiC等第三代半導體材料用於節能設計?TI行銷應用經理蕭進皇指出,為了達到高功率密度和高效率,採用第三代半導體在設計時必須考慮硬體、韌體以及拓撲這三項要素。

從硬體上來看,採用第三代半導體可望帶來更好的特性。由於這一類應用通常透過數位控制器驅動開關以實現效能,因此,針對交換式電源設計,通常提高電源供應器的切換頻率,以降低磁性元件尺寸。然而,當提高切換頻率的同時,數位控制器是否能即時控制此迴路?這就需要仰賴GaN更快切換速度的優勢。

拓撲方面則關注於能源轉換形式。例如在伺服器或資料中心,當從市電的220V轉換48V或51V或是12V輸出時,從AC-DC輸出的能源轉換拓撲只有在功率元件搭配第三代半導體組合時才能發揮最大效益。

「特別是由於MOSFET存在寄生參數、反應速度較慢,而當採用傳統橋式架構導入GaN半導體,可能由於GaN On/Off切換速度快而導致損耗非常高。」

因此,除了功率元件從傳統MOSFET改用GaN,其所搭配的拓撲也非常重要。蕭進皇解釋,相較於傳統的橋式PFC架構,採用無橋式PFC整流器拓撲搭配GaN,由於功率元件的數量較少,損耗就越小,也更能發揮效益。

 

相較於傳統的橋式PFC架構,採用無橋式PFC整流器拓撲,更能發揮GaN的最大效益。

(來源:TI)

 

發展淨零永續的綠色供應鏈

意法半導體(ST)也致力於追求半導體產業的永續設計與發展。ST人力資源和企業社會責任總裁Rajita D’Souzaqpa強調,「可持續性」正是這一切的核心,其方法主要基於3項原則:首先,以可持續的方式為永續發展的產業開發新技術,優先考慮人類以及保護地球,同時創造長期價值。其次,持續改進水等自然資源的利用,並減少或消除廢物和有害的排放物。氣候變化更是一項刻不容緩的全球挑戰。

為了率先達到在2027年實現碳中和的目標,ST從原材料、產品開發到製造的整個產品生命週期落實綠色設計和生產,並直接從供應商處採購再生能源,與其簽署長期協議。例如購買在摩洛哥北部風力發電機送入國家電網的電力,這一再生能源採購比例已從2020年的1%迅速增加到50%。

ST亞太區副總裁暨台灣區總經理Giuseppe Izzo也強調可持續性一直是重中之重,目標在於為永續發展的世界創造更好的技術。因此,從電動車、電源管理、電力和能源管理以及智慧建築等其目標市場投資綠色技術,以實現更節能環保的產品與應用。Izzo並預期到2027年將有33%的營收來自永續技術。

 

ST在新年度的永續發展營運和重點計畫。

(來源:ST)

 

電動車蘊含潛在大商機

電動車在淨零碳排趨勢下,成為大多數汽車品牌廠轉型的目標,更被電子業視為下一個重要的成長動能。相較消費性電子產品,鑫創電子(Sintrones)做為在車用領域「純度最高」的工業電腦廠,近年將重心擺在充電樁和智慧座艙;特別是智慧座艙,董事長許育瑞更直言,「這是未來當紅炸子雞,目前很多廠商都在看。」

鑫創的智慧座艙解決方案,基於乘用車、商用車或農耕機等不同車輛而有所區別。許育瑞進一步解釋,比如乘用車服務一般乘客,在車上會想要更多體驗,螢幕尺寸、解析度因應不同需求會有變化,未來一台車至少7~8個顯示器,並將由LED、Mini-LED,到未來可望以Micro-LED為主流技術。當顯示器用量變多,也就需要更多台車載電腦,「鑫創現在積極跟友達光電開發解決方案,明年應該Touch Taiwan會有不錯的產品展出,可以拭目以待!」

另外商用車部分,服務對象為專業駕駛,要求的是高可靠度及介面簡潔明瞭,周邊要整合商用車DMS (Driver Monitor System)等安全機制。提到為何需要安全機制,許育瑞以他們過往協助車載管理的經驗為例,貨運司機執行任務時常常遇到追車、拼命超車等狀況,那些重型機具最怕出事,一旦出事,若只有行車紀錄器很難判定肇責,就會需要DMS輔助做專業評估。

最後談到農耕機,許育瑞表示,現在隨著人口老化很難找到農夫,這時就要有可簡單使用的農耕機,這個農耕機需要具備AI自駕功能,鑫創相對應的AI BOX車載電腦方案,是結合GPS模組配合GPS航位推算(DEAD Reckoning),可運用G-SENSOR修正方位,以此使傳統農耕機的精準度從誤差幾十公分縮小至僅5公分內。他認為未來趨勢下,AI結合5G結合智慧座艙,會是重要的方向跟趨勢。

另外,鑫創也跟友達合作開發新一代帶顯示器的充電樁,包括VP4000a、VP5000d和VP6000d等高壓快充系列產品。許育瑞表示,充電樁要靠充電賺到錢非常困難,若結合廣告或KIOSK應用,帶進的收益有機會至少是充電收益的十倍,這樣的解決方案要搭配顯示器,以及CPU和GPU進行AI運算,可以放進AI模組做消費者的行為分析,以及判斷現在主流消費的方向。

 

鑫創電子與友達光電合作,打造新世代的充電樁,盼開啟新商機。

(來源:鑫創電子)

 

智慧Tukey平台助攻 「AI for ESG」DNA融入企業

數位轉型趨勢下,如何導入AI順利智慧化升級,幾乎已成各產業的「必考題」。然而,無論是企業在內部培養AI工程團隊或委外找工程團隊,幾乎都會遇上跟場域專家溝通不順暢的問題,導致難以「對症下藥」。為解決這樣的痛點,詠鋐便開發出AI建模與管理平台Tukey,期望協助企業內部快速讓AI落地到場域內,做到遍地開花。

詠鋐智能創辦人暨執行長謝宗震解釋,Tukey是一套可藉由點選拖拉完成AI建模與管理的軟體,用戶將物聯網、企業資源計畫(ERP)等數據匯入後,平台會自動做資料視覺化、拖拉資料清洗、AI模型建置等工作,並自動產生AI模型評估報表,讓用戶了解AI模型能不能用,確認後匯入IT部門戰情看板,協助相關人員運用AI做設備異常檢診。

 

詠鋐智能打造AI建模與管理平台Tukey,加速業界數位轉型。

(來源:詠鋐智能)

 

謝宗震進一步點出Tukey的價值,在於讓AI飛輪能持續轉動,「AI的價值是會越學越聰明,但當AI模型導入企業的過程中,還會遇到很大的痛點是隨著時間拉長,AI模型判讀的結果會越來越失準,能不能持續讓AI模型不斷自我學習變得很重要。最好實現這件事的做法,就是場域專家能自行將AI模型持續進行更新及維運,這需要夠簡單的生產工具,而Tukey就是這樣的工具。」

詠鋐對應化學材料、鋼鐵、半導體電子業或傳產等不同產業別,皆有推出相對應的解決方案解決。謝宗震援引過往經驗,直言Tukey確實具備解決AI演算法專家跟場域專家跨域溝通不良問題的能力,同樣三年,15個AI工程師以傳統作法做40個專案,運用Tukey則在三個月內就完成400多個專案,「這是一個效益大於千倍的應用場景,現在AI應用管理平台現在已經是一個破壞式創新!」

如今,AI搖身企業實現ESG願景的重要武器,面對不同成熟度的企業,詠鋐也擘劃不同的策略,從第一步協助企業運用AI解決ESG議題,到有效收集數據、典範場域的案例建置等不同面向的切入,扮演企業減碳路途上的最佳助攻手。謝宗震表示,Tukey最大的價值是點到面,更有效的讓AI for ESG的DNA融入到企業,協助企業支持AI永續、企業永續。

台灣半導體產業的Next?

旺宏電子董事長吳敏求以「Why Taiwan?」為題,從台灣的文化面、產業面等不同面向,闡述台灣半導體產業為何能在世界舞台上取得舉足輕重地位的原因。他指出,台灣在半導體生產能取得領先,在軍隊中就宛如上士跟中士對打,是因為把最優秀的人放在生產,所以一定做得比別人好,有好的工程師、好的工作態度,台灣才有今天的結果,「半導體一定得在台灣做!」而談到What’s next,吳敏求直言,創新是台灣接下來要生存最重要的關鍵。

追求創新,是旺宏一路走來33年不變的初衷,也是吳敏求之所以返台成立旺宏的願景。他指出,當時台灣半導體產業大多做逆向工程(Reverse Engineer),他發覺那樣的做法不對,便從美國找回40位有經驗的IC設計者返台成立旺宏,並自行訓練邏輯IC的設計者。旺宏自2000年成立旺宏教育基金會後,也年年舉辦旺宏金矽獎,每年平均訓練600~700名工程人才,迄今已累計逾上萬名台灣師生參與過金矽獎。

吳敏求表示,旺宏金矽獎開辦初期,台灣半導體產業剛開始起步,藉由金矽獎,讓學生還沒畢業就開始做IC設計,被訓練成可以思考甚麼叫創新;旺宏早期自行訓練邏輯IC設計者,讓台灣從做逆向工程變成IC設計,那些人現在也大多都在台灣的IC設計公司擔任核心開發者;這些都是他對台灣的貢獻,而一切都是為了要鼓勵台灣創新。

旺宏在吳敏求領軍下,33年來也實現諸多的創新,包括結合統計,打造全世界第一個電腦化的半導體廠;另自主研發32位元微處理器、世界第一顆雙埠10/100Mbps乙太網路及高速乙太網橋接器控制IC、液晶平面顯示器(LCD)控制IC、數位相機控制IC等產品;近年因應記憶體內運算(CIM)及記憶體內搜尋(IMS)的技術趨勢,打造創新的FortiXTM系列3D NAND/NOR快閃記憶體。

「若一直做Me too,台灣沒有前途,」吳敏求認為,台灣的IC設計業者現在大部分還是做Me too產品,跟隨在國外大廠的腳步之後,但未來一定要走出不同的路,因此他兩年前才跟國立成功大學合作開辦敏求智慧運算學院,目標培養出世界級的運算人才,「台灣學生很聰明,但需要有人領導,把這個計畫做成功,讓台灣再次脫胎換骨!」

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年2月號

 

 

 

 

活動簡介

從無線連接、更快的處理和運算、網路安全機制、更複雜的虛擬實境(VR)到人工智慧(AI)等技術,都將在未來的每一個嵌入式系統中發揮更關鍵功能。「嵌入式系統設計研討會」將全面涵蓋在電子產業最受熱議的「智慧」、「互連」、「安全」與「運算」等系統之相關硬體和軟體設計。

會中將邀請來自嵌入式設計相關領域的研究人員、代表廠商以及專家,透過專題演講、產品展示與互動交流,從元件、模組到系統,從概念設計到開發工具,深入介紹嵌入式系統設計領域的最新趨勢、創新和關注重點,並深入分享關於嵌入式系統設計的經驗、成果以及遇到的實際挑戰及其解決方案。

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