拡大するエネルギー需要に対処するための6つのトレンド


社会のテクノロジへの依存度がますます高まるにつれ、世界のエネルギー消費量は著しく増大しています。データセンタや車載用、産業用を含む数多くのアプリケーションの利用により、世界の個人電力消費量は石油製品の消費量に迫りつつあります(1)。こうしたトレンドに対応するため、設計者は半導体ソリューションを積極的に活用しており、2016年には世界で8,240億個の半導体製品が購入され、私たちの生活のありとあらゆるところに利用されています。(2)

こうした製品の設計者が求めているのは、より競争力のある動作を実現しながら、環境に配慮したエネルギー使用に関する法令も順守する電源管理テクノロジです。

TIでは3年前に、半導体産業において2020年まで影響力を持つことになる、電源およびエネルギー管理の3つの主要トレンドを紹介しました。そのときに示したエネルギー効率電力密度ビッグ・データの格納と提供という3つのトレンドは拡大し続けており、2018年においても最重要課題に含まれています。これに加え、分散型および再生可能エネルギー自動車の電子化工場および産業用施設の自動化という3つのトレンドが、技術的進化の速度に伴い、現在の半導体産業を後押ししています。

TIでは、数多くのアプリケーションにわたって設計エンジニア向けに革新的な電源管理テクノロジを提供しており、前述した6つのカテゴリすべてにおいて、最も厳しい電源管理の課題に対応できます。6つのトレンドに焦点を絞った理由と各課題への対処方法について、以下に詳しく説明します。

1. エネルギー効率
2020年までにデータセンタで消費される予想電力量は毎年730億キロワット時を超えますが、これは1,000万戸以上の平均的家庭に十分な電力を供給できる値です(3)。データセンタ内でデータを移動すればするほど、冷却により多くのエネルギーが必要になり、電力網にかかる負荷が増大します。

米国エネルギー省によれば、エネルギー効率戦略を追加導入した場合、電力需要が45%低下する可能性があります(4)。損失を最小化し、効率を向上させる新たな戦略とテクノロジを導入すれば、データセンタによるエネルギー需要を減らすことができます。

エネルギー効率を向上させると、データセンタでのトランザクションに必要なエネルギーの低減とサーバ全体の冷却要件の低減という、2つの領域での低減効果が得られます。技術革新の機会は、サーバの電力供給アーキテクチャからポイント・オブ・ロード(PoL)トポロジまで、あらゆる領域に見られます。

共振およびハイブリッドDC/DCコンバータなどの新しいトポロジには、サイズの削減、効率の改善、温度上昇の低減といった利点があります。これらの手法をアイドル時の低消費電力や高速ウェイクアップを可能にするアルゴリズムと組み合わせれば、米国エネルギー省が予測した45%の削減率の達成に向けて大きな一歩を踏み出すことができます。

マクロ・レベルで見た場合、サーバ・システムには電力変換ステップの数による制限があります。直接変換を可能にするトポロジへの投資により、これまで実現困難とされていた新たな電力供給方式が、今では実現可能になっています。最初から400V DC電源をCPUに直接供給することにより、3つの変換ステップを排除できると考えてみてください。このようなタイプの破壊的アプローチは、いずれも電源管理や半導体の技術革新によって可能になったものです。 

2. ビッグ・データの格納と提供
高速でアクセス可能なデータへの世界的需要が拡大するにつれ、データを格納、回収するためのエネルギーへの需要も高まることになります。そのような需要から生じるコストや環境への影響を制御することが、今後の重要課題となります。

消費者がこれまでになく大量の情報をクラウド上にアップロードして保存するようになり、クラウド・ストレージが過去数年間にわたって爆発的に増加しました。これらのトランザクションは、実行されるたびにエネルギーを消費します。たとえば、ホーム・ビデオを録画し、それをクラウドにアップロードして保存し、後で取り出すプロセスには、それらに消費されるエネルギーが必要です。半導体を利用して最高のアクティブ・モード効率、スリープ時の低消費電力、超高速のウェイクアップ時間を備えた電源管理ソリューション��実現すれば、これらすべてのトランザクションを最小限の消費エネルギーで実行できるようになります。 

3. 電力密度
電源の電力密度は、向上してはいますが、ムーアの法則に従って増加しているわけではありません。半導体によってより多くの機能が実現すれば、電力需要も高まります。たとえば、携帯電話の急速な世界的普及には、リチウムイオン・バッテリ・テクノロジが多くの点で貢献しており、このテクノロジの活用によって、1日中使用するのに十分なバッテリ駆動時間を確保しながら、より多くの機能を携帯電話に搭載できるようになりました。

そのトレンドに隠れて見過ごしがちなのが、バッテリが大型化して性能が向上するにつれ、それに電力を供給する充電器との性能差が開くという点です。フル機能のスマートフォンを充電することなく1日中使えるのに対し、その充電には一晩中かかるという状況が容易に思い浮かびます。より優れたユーザ・エクスペリエンスを実現する鍵となるのは、電力密度の向上です。

4. 分散型および再生可能エネルギー
エネルギーをより効率的に生成、分配する方法に需要が集まっています。効率化にあたっての課題は、電力変換とさまざまなエネルギー源の処理を最大効率で実現することです。窒化ガリウム(GaN)と炭化ケイ素(SiC)は、高電圧で動作できるという固有の性質を高効率や小型のサイズと組み合わせることにより、この最大効率を実現できます。

これまでは限定的にしか導入されていなかったGaNとSiCですが、どちらも分散型および再生可能エネルギーへの対応に必要な電圧範囲で、以前は達成不可能だった効率と密度を達成できることが実証されています。

これらを興味深いプロトタイプとしてではなく、実用的なテクノロジとして大規模に普及させるために、TIでは、パッケージにゲート・ドライバを組み込むことが効果的であると考えています。『LMG3410』では、ゲート・ドライバをデバイスの近くに配置することで、これらのテクノロジの普及をさらに進めるために必要な性能と製造性が実現できることを実証しました。

5. 自動車の電子化
過去10年間で、自動車の機能が変化したのは明らかです。新世代の自動車が登場するたびに、搭載される電子機器の数は加速度的に増加しています。自動ブレーキ、車線逸脱センサ、自動ビーム制御ヘッドライトなどは、現在ではごく普通の機能であり、半導体と電力管理によって実現されています。これまでは走行距離、コスト、充電時間の問題から普及が限定的だった電気自動車でさえ、主に半導体ベースの電子機器の性能向上により、2040年までに200万台から2億8,000万台まで増加することが予想されています。(5)

車内では、電子機器が増えることによって利用者の運転環境は改善されますが、こうしたテクノロジの向上に���電磁妨害(EMI)という課題が伴います。放射EMIであれ伝導EMIであれ、EMIはミッションクリティカルなシステム内に妨害を発生させる可能性があり、それはユーザ・エクスペリエンスの低下だけでなく、悪ければ安全性の問題にもつながります。

そのため、EMIの低減は、重要な課題かつ技術革新の大きな機会となっています。スペクトラム拡散(例:『TPS55165』を参照)やアダプティブ型ゲート・ドライバ、アクティブ・ノイズ・キャンセルなどのさまざまな技術に投資することで、今後の自動車への電子機器やテクノロジの導入をさらに加速させることができます。

6. 産業用オートメーション
産業用オートメーションを導入すれば、生産性や製造効率を向上させることができますが、一方でこのような機会には安全性の課題が伴います。自動化された工場は、動作に高電圧が必要な重機を備えていることが多く、過酷な環境や潜在的な危険につながります。

そのため、産業用オートメーションを実現する鍵となるのは、高電圧が生じる環境でもセンサ・ノードが効果的に動作し、作業者が安全に作業できるようにする絶縁テクノロジです。コインの直径よりも狭い範囲内で、一方では各種センサ・システムに低電力を供給しつつ、他方では家庭用の電圧の60倍にもおよぶ電圧サージから作業者を保護できるテクノロジを想像してみてください。設計者が『ISOW7841』などのデバイスを使用することで実現できるのが、まさにこのようなテクノロジなのです。

TIは、新たなテクノロジを開発することにより、ここで紹介したトレンドが提示する機会や課題に取り組んでいます。お客様が電源管理やエネルギー管理の課題に対処するうえで、TIの技術革新が解決の一助となることを期待しております。

著者情報
Jeff Morroni TI研究開発グループ「Kilby Labs」電源管理担当ディレクタ
コロラド大学ボルダー校 電源管理分野 博士号取得

※注釈                                    

  1. IEA.org
  2. WSTS
  3. Department of Energy / Here’s How Much Energy All US Data Centers Consume
  4. Department of Energy
  5. IEA.org
  6. Nanochip Fab Solutions

※すべての商標および登録商標はそれぞれの所有者に帰属します。

※2018年3月27日マイナビニュース掲載のテキサス・インスツルメンツ寄稿記事を転載

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