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1、纽带与支点把握“硅能源”战略窗口带动新一代能源体系与半导体 产业协同发展中国电子信息产业发展研究院 集成电路研究所 2023年3月31日 习近平总书记指出:”要把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置,积极有序发展光能源、硅能源、氢能源、可再生能源”硅能源概念的提出 以硅能源为代表的清洁能源替代以碳能源为代表的传统能源的发展路线是强调硅能源概念的首要目的目 录硅能源内涵与外延我国产业发展现状主要路径与重点任务机遇和建议一一二二四四三三0101硅能源的内涵与外延硅能源的内涵与外延一硅能源的内涵与外延晶体硅光伏电力电子、传感、控制、通信、计算等半导体芯片新能源大量接入智能电网(数字化)终端消费
2、电气化发电输电变电配电用电硅能源狭义广义仅在能源生产环节发挥作用,其中太阳能光伏是硅能源最为典型的表现形式之一利用硅,产生能源在能源的生产、传输、消费等全生命周期均发挥重要作用,具有体系化的特点。具体包括产生环节的光伏电池、管理环节的IGBT、转换环节的硅光器件、传输环节的射频器件、存储环节的负极材料利用硅,产生、传输、消费和储存能源低功耗芯片硅能源应用服务硅能源生产支撑体系硅能源基础措施太阳能汽车光伏系统直流家电能源产生器件能源传输器件能源转换器件能源管理器件能源储存器件硅能源材料(工业硅、高纯硅、硅棒/硅片等)硅能源是连接半导体、能源产业的战略支点 硅既能制造光伏设备产生能量,又能用于锂离
3、子电池负极材料存储能量,同时也可以用于制备电源管理芯片能源储存层面:锂电储能将爆发式发展 硅能源将更多赋能节能器件,并以“高能效、低功耗”半导体和系统节能器件为代表推动关键环节实现节能能源节约层面:半导体技术将极大节约能源 硅能源革命和产业变革,将带来巨大的市场需求和发展空间,催生出新业态、新模式,比如V2G、V2H、绿电交易等催生出新业态、新模式 硅能源将在能源生产层面引发变革,将在发电层面逐步取代煤炭、石油、天然气等化石能源,成为未来主流能源能源产生层面:光伏将逐步替代火力发电 在半导体技术推动下,直流输电技术有望重构当前以交流输电为主的格局,推动能源传输的革新能源传输层面:直流将对交流输
4、电带来冲击“碳中和”推动能源电气化发展,电力电子的大规模应用,电动车、直流楼宇、直流家居等将会加速涌现,催生能源消费革命能源消费层面:直流负荷有望成为主流硅能源掀起一场巨大能源革命和产业变革0202我国硅能源发展现状一(一)硅能源开源节流,促进我国实现碳达峰、碳中和 我国富煤缺油少气的能源资源结构导致自身供给挑战极大 硅能源在保障能源安全过程中发挥重要作用 一是作为化石能源的主要替代 二是作为未来电力系统的重要支撑 三是支撑能源在各种应用场景中的高效利用(二)硅能源助力我国能源革命,突破能源供给瓶颈1622.8836.263000煤炭储量(亿吨)石油储量(亿吨)天然气储量(亿立方米)我国已探明
5、化石能源储量415.619.7煤炭开采年限(年)石油开采年限(年)天然气开采年限(年)我国化石能源预计开采年限 硅能源是实现能源开源的重要途径 太阳能基于硅基,将自身消耗的1度电转变为45度电,其能量密度约为碳能源的3000倍 如果把塔克拉玛干沙漠的1/4面积装上光伏的话,发出的电量就是今天全中国的用电量。如果把塔克拉玛干沙漠全装上光伏的话,这些电量足够全球使用 硅将有力支撑数字经济助力能源节流 硅能源在能源的生产方式上有力支撑了数字经济的发展,在能源的使用环节提高了效率 硅是电力电子芯片和器件的基础,对能源和电力系统形成有力支撑如习近平总书记指出,面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势,
6、保障国家能源安全,必须推动能源生产和消费革命发展硅能源对我国意义重大 发展硅能源是有效提升供应链韧性的重要方式 一方面,发展硅能源能够有效遏制产业向东南亚外迁 另一方面,发展硅能源是重塑制造业竞争优势的重要举措(三)硅能源可提升供应链韧性,重塑我国制造业新优势(四)硅能源促进集成电路产业发展,锤炼我国非对称发展优势企业名称销售额(亿美元)直接二氧化碳排放(万吨)用电量(亿度)间接二氧化碳排放(万吨)三星2582.3英特尔698.3148.952499.2台积电345207.51261215.6中芯国际31.6172.317168.2德州仪器135.520325244.8意
7、法半导体95.6140.222.8218.9索尼95.5137.661586.7英飞凌89.52318.7180联电48.151325.3243.3总计3775.12925.5618.65938.82019年全球主要半导体制造企业能耗情况 硅能源支撑我国集成电路产业发展,为集成电路产业创造新的应用市场空间 一方面,碳中和将催生巨大投资需求 另一方面,硅能源有望成为我国非对称长板优势领域发展硅能源对我国意义重大(一)企业层面 我国电网和通信行业龙头企业均已在数字能源领域开始积极布局 目前各大电网企业均在筹划建设数字技术平台,为实现全域物联、人工智能等各个环节提供数字化支撑 通讯龙头企业提出并建立
8、“零碳”能源网,开发能源云操作系统,实现数字化清洁能源的规模化开发利用、多级能源网络广泛互联(二)产业层面 在硅能源材料、器件模块、终端及应用方面,产业基础雄厚,在产业规模和产业化发展水平上均位于全球领先地位,培养了一批领先企业 我国硅能源产业应用不断拓展,催生新模式、新业态,产业发展潜力巨大我国在硅能源领域拥有坚实基础(三)市场层面 硅能源产业全球市场大,国内市场可控,具备较好的发展空间 我国硅能源的成本、产能、市场占有率等多方面在全球处于优势地位 我国硅能源产业国内市场发展迅速,进口替代效应明显,前景广阔(四)生态层面 我国硅能源产业已形成光伏、半导体、电力装备、智能电网为主体的产业发展体
9、系,推动技术研发、人才培养、标准体系建设等产业生态持续完善,已具备产业协同发展、高端突破的能力和水平我国在硅能源领域拥有坚实基础(六)政策层面 顶层设计高度重视硅能源产业发展。密集出台相关新能源战略发展政策,从输配电网、清洁能源、新能源终端产品、光伏、储能、绿色低碳等多维度加大对硅能源产业的支持力度 各地政策对绿色能源、清洁能源、新能源、节能减排的关注热度较高 在“十四五”规划、产业结构指导目录等诸多政策中,都指明电力电子、半导体功率器件技术等是未来我国高科技领域发展关键技术0303机遇和建议一硅能源的地位和作用政府支持是产业发展重要推动力,对引导产业和市场走向成熟尤为重要启示颠覆依靠传统碳资
10、源能源获取方式机遇启示与机遇海外的旺盛需求将带动全球光伏装机量,为我产业打开更广阔市场空间硅能源发展将显著带动半导体产业发展,光伏、新能源汽车大市场优势将大幅提升功率半导体市场份额变革以交流输变电主导的能源传输模式推进锂电储能和直流负荷支撑的消费应用终端牵引半导体技术向以效率优势实现节能环节优势发展加强顶层设计加大硅能源核心技术研发以应用示范推动能源与信息技术深度融合培养行业领军人才和高端技术人才优化金融支持方式国家、地方投资,GP模式、产金融合加深认识,编制规划、行动方案、成立专家咨询委培育创新群体、探索研发新模式、光伏、新型电力硅材料生产绿色示范工厂、绿色制造、光伏+卡尖、卡基、学科交叉、
11、产教融合、人才引进、创新中心发展建议0404主要路径与重点任务一五大主要路径12435能源产生层面持续挖掘PERC电池的性价比,加大推动n型电池技术产业化开发退役光伏组件资源化利用的技术路线和实施路径,加快资源循环综合利用能源传输层面加快面向柔性电网和柔性变电站的专用半导体器件研发加大对专用硅基IGBT、碳化硅基IGBT、静止无功补偿器、串联电容器等器件研发能源消费层面开发户用智能光伏产品及系统构建新型生态体系,完善基础设施体系,优化产业发展环境积极推进高能耗家电直流化演变推动建筑与光伏的深度融合能源节约层面加快发展能耗低、污染少的制造业,促进生产型制造向服务型制造转变突破绿色转型核心关键技术
12、,推进节能终端、硅基节能半导体产品、系统节能器件发展能源储存层面通过纳米技术,优化硅基负极材料尺寸、结构,提高循环寿命提升硅基负极材料电导率,增强倍率和充放电性能,实现锂离子储能电池性能全面提升一、硅能源材料应大力发展大型工业硅电炉,提升全生产环节绿色化发展水平,持续降低产品生产能耗,提高劳动生产率,同时减少污染排放继续探寻品质更优的石英砂矿源等工业硅01持续开发低成本高品质多晶硅提纯技术研究推广多晶硅生产、后处理等环节的自动化与智能化支持12英寸及以上集成电路硅片用原生多晶硅料产业化高纯硅02应支持大尺寸、多次投料单晶硅棒拉制研究大尺寸、低损耗、超薄片切割技术提升半导体单晶硅生长质量发展硅环
13、、硅垫等产品单晶硅及硅片03六大发展重点二、硅能源器件能源产生器件持续挖掘PERC电池的性价比和推动n型电池技术规模化发展研究多主栅、无损切割、高密度封装等高效组件生产技术加快研究硅基叠层电池能源管理器件能源转换器件能源传输器件能源存储器件推动先进IGBT、新型IGCT、功率RF、MOSFET及SiC等宽禁带功率半导体材料、器件及技术研发加强电源管理芯片开发,推动其高效低耗化、集成化、内核数字化、智能化发展硅基LED:可靠、低功耗、高发光硅光器件:高端器件、测试设备、特殊材料攻关新型显示器件:新技术研发和产业化碳化硅器件:提升逆变器效率、延长电池续航时间射频器件:硅基器件集成工艺开发芯片工艺优
14、化:提升射频无线充电的能量发射功率、电能转化效率,以及定位精度,提高充电端的输入功率,降低发射端和充电段的发热量纳米技术:优化材料尺寸、结构,减轻体积效应对性能的负面影响,提高寿命复合材料技术:提升硅基负极材料电导率,增强倍率和充放电性能,提升锂离子储能电池性能六大发展重点三、硅能源终端产品光 伏 发 电 系 统 建设以新能源为主导的新型电力系统 发展智能光伏直流系统 支持开发智能化、数字化的户用智能光伏产品及系统 推动“光伏+”在更多领域应用新 能 源 汽 车 以融合创新为重点,突破关键核心技术,提升产业基础能力,构建新型产业生态,完善基础设施体系,优化产业发展环境“光伏汽车”将能源产用与整
15、车合二为一,应大力发展V2G、V2H等新模式、新业态六大发展重点010203四、硅能源基础措施 大型光伏发电基地建设,提升能源供给 结合风电、水电和光伏出力特点,充分利用清洁煤电调峰调频能力,加速推动多能互补发电基地建设 氢能、物理化学储能等技术,包括电化学技术、电力电子技术、数字技术、散热技术等,用电力电子和数字技术不断提升储能系统可靠性,降低成本,推动光伏+氢能、光伏+锂电技术融合发展 加速物理电网和新一代信息技术融合,有效解决高比例新能源接入、终端高度电气化和分散化负荷带来系统稳运行难题,提升供电安全可靠性、灵活性和低成本 在输配电中引入智能传感、物联感知、精密控制、人工智能等数字化技术
16、,节能降耗 通过态势感知、数字孪生等实现源网荷储等协同,实现对大量分布式资源的灵活调用 利用人工智能、物联网、大数据分析等技术更好实现需求侧管理六大发展重点硅能源发电硅能源应用 以应用牵引、整机带动、生态培育,为硅能源应用推广创造更多便利条件 研究硅能源与国家重要基础措施建设融合发展:西电东送、南水北调通道、高速公路/铁路,及东数西算、5G/6G等项目建设中,同步规划硅能源。在智慧城市建设中,加速硅能源与充电措施协同,推动光储充融合发展,不断提升硅能源发展应用水平 持续通过应用示范,推动更多V2G、V2H等应用探索智能电网发展重点五、硅能源服务 提 升 数 字 基 础 措 施 能 效持续通过硅
17、工艺技术的进步,开发高性能低功耗器件创新系统架构,丰富完善高能效整体解决方案建设优质绿色数据中心、通信基站等赋 能 工 业 实 现 绿 色 制 造发挥硅能源在工业生产制造各环节的应用,助力工业从用能、生产制造、质量监控、产业链协同、碳封存等方面发挥巨大作用,赋能行业绿色低碳发展助 力 传 统 行 业 节 能 减 排利用光电建筑一体化、硅电力电子器件等加速交通电气化和低碳化等建立健全硅能源绿色低碳指标体系及评估标准,不断完善硅能源发展技术规范,统一标准,形成共识六、硅能源支撑体系先进计算芯片 在相同计算水平下,人工智能芯片能耗不足通用芯片的千分之一,成为未来发展重点大容量高速率存储芯片 ZB(十
18、万亿亿字节)大数据时代,DRAM、3D NAND Flash、新型存储芯片成为大数据发展基石 大容量、高速率存储芯片提升存储性能,大幅度降低能耗新型架构计算芯片“存算一体”“数据中心虚拟化”打破“存储墙”“功耗墙”间界限,实现功耗缓增或不增情况下的算力巨大提升 人工智能应用的大规模计算集群:“存算一体”将传统以计算为核心架构转变为以数据为核心架构,直接用存储器做数据处理,把存储计算融合于一芯中,相比传统冯诺依曼架构,极大提高计算并行度与能量效率,大规模计算集群等核心领域具有广阔高性能低功耗器件低功耗设计技术 降低容性功耗可以从开关活动率、负载电容、电源电压、工作频率四个方面入手 集成电路设计分
19、为系统级、行为级、RTL级、逻辑级、晶体管级和版图级6个层次 系统级设计包括动态电源管理、动态电压调节、低功耗编译、软硬件协同设计为典型的功耗优化设计流程,为从系统到SoC芯片的设计流程三维集成制造技术 通过三维堆叠技术提升芯片互联密度及带宽、芯片尺寸、功耗性能等,更好满足高性能计算发展要求 支持IC制造企业进一步丰富和完善低功耗工艺平台和IP库 持续通过三维立体集成技术来弥补在先进工艺制程不足,通过系统性技术补足单点工艺技术短板完善设备材料等配套产业发展 持续推动集成电路生产用材料、装备、零部件发展,要通过产业链上游创新、工艺源头开拓,更好保障产线持续稳定运转,引领工艺技术发展绿色微纳技术0102六大发展重点敬请领导、专家批评指正!产业政策研究、区域咨询规划、数据分析监测、企业战略服务、中国芯与才智品牌活动赛迪研究院集成电路研究所