电子工业如何塑造一个更可持续、更节能的世界

文/皮尤什·桑切蒂，戈德温·马本

我们已经经历了世界气候变化的影响，毁灭性的野火，长期干旱，洪水泛滥，仅举几个例子。全球能源消耗正在增加，导致二氧化碳水平上升，并引发极端天气状况。推动这些趋势的两个关键力量是向超大规模数据中心的转变和互联网流量的爆炸式增长。

简而言之，我们的世界正变得更加数字化、互联化和智能化。但是我们的星球——以及所有把这个美丽的地方称为家的人——正在为此付出代价。我们可以做些什么来创造一个更可持续、更节能的世界?

创新引领我们走到今天，创新可以引领我们走向更可行的道路。从我们生产和传递能源的方式，到我们电子系统的设计方式，我们的行业现在可以采取一些措施，以确保我们所建立的一切将会持续下去。继续阅读，了解电子领域的四个关键领域，在这些领域中，集成更可持续的实践可以为下一代带来更光明的结果。

外面情况有多糟?

为了了解我们现在所处的位置以及我们可能走向的方向，让我们仔细看看我们目前的情况。全球二氧化碳水平正在飙升根据非营利组织2度研究所(2 Degrees Institute)追踪大气CO含量的一个项目，美国的二氧化碳含量从1922年的303.8 PPM上升到现在的400ppm以上₂可以追溯到80万年前。并非巧合的是，能源消耗自1952年以来增长了7倍，其中大部分是通过化石燃料产生的寻求阿尔法世界能源年度报告．

推动全球能源使用量大幅增长的部分原因是向超大规模数据中心的转变——在大约1万平方英尺的空间内，至少有5000台服务器管理着pb级的数据。它们的效率在于能够快速处理大量数据——这些数据满足了我们对流媒体视频、闪电般的金融交易、大数据分析和人工智能(推理和学习)的需求。然而，为了实现这一点，超大规模的数据中心需要消耗大量的电力。根据一份报告，不包括加密货币，2021年数据中心的能源使用量在220至330太瓦时(TWh)之间，约占全球最终电力需求的0.9%至1.3%国际能源机构关于数据中心和数据传输网络的报告．这比一些国家一年消耗的能源还要多。

与此相关的是我们正在经历的互联网流量的指数级增长。据统计，2021年，全球有49亿互联网用户——接近全球人口的三分之二Statista．与此同时，思科(Cisco)也在计划全球互联网流量从2017年的每月122艾字节增加到今年的每月396艾字节。总的来说，信息和通信技术(ICT)行业占了很大比重占全球碳排放量的2%以上．

现在是行动的时候了

虽然电子行业的能源困境看起来相当严峻，但并非不可克服。首先，在新的超大规模数据中心中使用的服务器往往比旧的服务器更节能。传统数据中心的电力使用效率(PUE) -所需的总能量除以用于计算的能量-约为2.0，而超大规模数据中心的电力使用效率约为1.2自然杂志报道．

此外，通过整合更具可持续性的实践，我们可以在以下几个关键领域获得更好的结果:

• 能源输送扩大对可再生能源的依赖，同时将数据中心和网络枢纽选址在离风能和太阳能等能源更近的地方，这将产生重大影响。所以可以使用类似的技巧可持续电池技术，如镍锌。大型超大规模数据中心运营商已经实现或计划很快实现无碳能源全天候运行。
• 电子系统设计:采用系统到硅的方法来设计电子系统可以降低功耗。还有一些技术可以增强能量耗散，以及利用人工智能等技术优化芯片以提高能源效率的机会。系统设计的另一个关键方面是不断增长的软件内容，从固件到操作系统再到应用软件。
• 硅技术:使用节能材料(如碳化硅)、新型晶体管器件(如finfet)以及硅光子学和量子计算等技术可以优化能源使用。
• 操作:可持续措施可以应用于整个供应链，从芯片和系统设计到电子设计自动化(EDA)解决方案、IP、制造和封装组装。许多半导体公司已经制定了减少温室气体排放的目标，而且还有做得更多的空间。

节能设计的整体方法

让我们更深入地研究系统设计领域。通过应用整体的，软件驱动的方法，从架构到签约，Synopsys客户已经证明了实现50%能源效率的能力。让我们来看看主要的设计阶段，以了解Synopsys的解决方案如何使系统设计师实现最佳的每瓦性能:

• 软件:该软件做了很多繁重的工作，在芯片中协调电源管理，并在SoC设计期间确定电源分析和优化的关键场景。因此，分析和优化软件以确保SoC的最大能源效率是至关重要的。
• 体系结构:动态电压和频率缩放(DVFS)、功率域和电压岛等电源管理策略可以节省大量成本。除了这些策略，电力性能的宏观架构权衡，以及IP选择和权衡，可以将电力节省30%到50%。
• RTL:时钟、数据、内存和故障功率的微架构权衡有助于节省成本，因为可以查找和修复RTL功率块，并使用工具引导的时钟门控、数据门控和内存大小。潜在的电力节省:15%到30%。
• 实现:在动态功率和漏电功率、功率、性能和面积(PPA)权衡的功率完整性以及功率感知测试模式生成等领域应用自动优化，可节省10%至15%的功率。
• 签收:一种以功率和功率完整性目标为中心的方法，以及具有外科手术式精确的工程变更顺序(ECO)变化的动态和泄漏功率恢复，可以节省5%至10%的功率。
• 验证:将验证工作集中在UPF功率意图验证和UPF驱动的功能验证上，有助于提高能源效率。

Synopsys客户使用我们的端到端解决方案进行设计和验证，已经达到了这些结果范围节能soc．软件驱动的低功耗设计解决方案支持UPF (IEEE 1801)低功耗意图，可以帮助优化PPA，而低功耗验证解决方案可以帮助团队在周期早期检测和解决低功耗错误。像Synopsys对此DSO.ai芯片设计的自主AI应用使用强化学习来提高芯片的功率、性能和面积。集成的投资组合低功耗的IP解决方案还可以帮助降低芯片功耗，同时加快上市时间。硅生命周期管理提供用于监控和分析的片上传感器，可以生成有关功耗的可操作见解。

打造智慧未来

从可以订购食品杂货的冰箱到可以执行手术的机器人，我们这个世界的智能、连通性和自动化水平令人惊叹。虽然这些应用都能带来巨大的效益，但它们也会在能源消耗和碳排放方面产生巨大的足迹。

在Synopsys，我们相信我们在塑造Smart Everything未来的过程中所扮演的角色不仅带来了巨大的机遇，也带来了重要的责任，包括对环境的责任。我们称之为智能未来战略。我们相信，除非未来是可持续的、公平的和安全的，否则未来就不是智慧的。这一战略的环境方面有一个双管齐下的办法。第一步是在我们的商业生态系统中建立伙伴关系，以推动积极的变化。我们以多种方式执行这种方法。除了向市场提供帮助客户降低能源消耗的解决方案外，Synopsys还是21家公司和组织的一员，这些公司和组织今年秋季向美国能源部(DoE)承诺，在未来20年内将半导体能源效率提高1000倍。背后的想法能源效率20年扩展计划(EES2)美国能源部表示，其目标是最终提高“美国半导体制造商的经济竞争力，加强国内清洁能源供应链”，同时实现《2022年芯片与科学法案》的目标。EES2等倡议，以及半导体生态系统中其他公司为减轻其对气候的影响而做出的承诺，都是朝着更可持续的未来迈出的重要一步。

我们环境战略的第二个方面是优化我们自己的运营足迹。减少温室气体排放只是我们为此采取的众多行动之一。此外，我们公司是其中一个的四个主要租户之一最大的可再生能源采购协议到目前为止，我们每年从德克萨斯州罗克莫顿县的一个风力发电场承包15兆瓦的风能。2022年也是我们在全球业务中连续第四年获得碳中性公司认证。

总之，电子行业有机会尽自己的一份力量来减轻其创新对环境的影响。Synopsys是生态系统中众多致力于创造更可持续未来的公司之一。

Godwin Maben是Synopsys Strategy & System architect Group的成员。