为什么绿色科技的摩尔定律无法计算

声称绿色技术需要遵循摩尔定律,既被称为鼓舞人心的雄心壮志,又被称为危险的误导。

在这个问题上,没有人会有“正确”的答案,但我的观点是:几乎所有的技术都是随着时间的推移而进步的,但预计清洁能源技术会遵循IT行业同样的时间尺度,而在IT行业,摩尔定律(Moore’s Law)肯定会让人失望。

我们能以多快的速度将我们庞大的能源系统转换成更清洁的能源是一个重要的问题,尤其是在更多知名人士建议大力推进能源研究以提高竞争力的情况下。

乐观主义者认为,如果在太阳能、风能、电动汽车等领域存在类似于摩尔定律的东西,我们将迅速从化石燃料转向更清洁的能源技术。

翻译得怎么样?摩尔定律(Moore’s Law)是英特尔(Intel)联合创始人戈登•摩尔(Gordon Moore)的预测。摩尔预测,一块芯片上的晶体管数量大约每18个月就会增加一倍。

在上周访问一位ARPA-E奖得主时,我问能源部长朱棣文(Steven Chu),他是否认为能源领域会出现摩尔定律(Moore’s Law)。朱棣文上周指出,需要采取措施加快清洁技术的创新,他说,正处在迅速拥抱能源技术的“人造卫星时刻”。他看到了摩尔定律类比的优点,但也提出了警告。

几乎所有的技术都遵循摩尔定律,包括能源技术。我的意思是,如果你把用于部署的钱标出来,成本就会成指数下降。”“话虽如此,摩尔定律的斜率是不同的,”他笑着补充道。

例如,在太阳能光伏发电领域,大型装置的成本约为每瓦4美元。很明显,在未来四年或更短的时间内,成本将降至每瓦2美元左右。但他说,如果太阳能达到每瓦1美元,那么它将在没有补贴的情况下变得“无处不在”。

不过,对于这2到1美元的涨幅,你不能仅仅依靠增加现有的生产设施。这就是为什么他主张联邦政府对清洁能源研究的长期投入。

他说:“研究是绝对的驱动力——毫无例外,因为我们今天还没有可以让我们达到每瓦1美元的技术。”“从4美元涨到3美元意味着更高的生产率,更大规模的生产,诸如此类。为了达到1美元,你实际上需要一些新的想法,更好的性能。”

越来越多的人一致认为,应该追求这类技术突破。

上周,科学技术顾问委员会(Presidential Council of Advisors on Science and Technology)提出了一项为期四年的计划,通过多项措施促进清洁能源的创新,其中包括大力推进研究。同样,创新委员会(American Innovation Council)建议将能源研究支出增加两倍以上,这远远落后于其他大型产业。该委员会由洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)前首席执行长诺曼·奥古斯丁(Norman Augustine)领导,成员包括比尔·盖茨(Bill Gates)、风险投资家约翰·多尔(John Doerr)和通用电气(General Electric)首席执行长杰夫·伊梅尔特(Jeff Immelt)。

《纽约时报》(New York Times)专栏作家托马斯•弗里德曼(Thomas Friedman)在他的专栏中使用摩尔定律来研究能源设备已经有一段时间了。受电动汽车公司Better Place首席执行长阿加西(Shai Agassi)言论的启发,弗里德曼今年早些时候写了关于电动汽车的摩尔定律(Moore”s Law),即每18个月电动汽车每英里的成本将下降一半。

还有许多人认为,能源和环境领域的快速创新时机已经成熟。英特尔生态技术部门总经理Lori Wigle今年早些时候说,这家芯片巨头正试图将摩尔定律引入电网。通用电气前绿色创想创举负责人史蒂夫•弗拉德(Steve Fludder)表示,直接驱动风力涡轮机和薄膜太阳能电池等新技术表明,能源可以走半导体行业的道路。

在某些方面,你可能会说,这实际上正在上演。例如,就在几年前,高效LED照明对普通家庭来说还太贵了。现在,LED制造商已经能够提高光的输出和质量,使之适合普通照明,并通过大型零售商销售。根据所谓的Haitz定律,LED的产量每18个月就会翻一番,现在60瓦LED的价格大约是40或50美元,但一些人预测两年后会降到10美元。

微型化不需要应用,但如果你看看整个绿色技术领域,包括能源、水和材料,你会看到摩尔定律类比的局限性。它是一个很好的心智模型,是快速技术改进的灵感来源。但是,将能量转化为有用的功和摩尔定律预测的半导体微型化之间存在一些根本的区别。

首先,考虑信息技术在你的一生中改变了多少。还有谁记得上网之前,用的是1200波特调制解调器,而现在用的是老式IBM PC?那些不是“数字原住民”的人应该惊讶于在我们的有生之年,计算能力发生了多么大的变化,带来了今天的移动电话、平板电脑和其他强大的数字设备。

相比之下,能源转型——例如从木材到煤炭、从煤炭到石油——需要几十年的时间。Vaclav Smil写过几本关于科学和工程历史的书,他专门给乐观的技术前景泼冷水,称之为“摩尔的诅咒”。Smil认为,基础设施越大,变化越慢。

此外,能源技术不一定能像计算机那样从小型化中获益。为了降低电力成本,太阳能电池需要更有效地将光能转化为电能,而且制造和安装成本更低。使它更小减少了捕捉光线的面积,所以这不是主要的设计重点。

那些认真参与能源技术的人对摩尔定律的速度抱有期待。IBM的一位顶级储能科学家在9月份的一次采访中谈到电池时说,“忘掉摩尔定律吧——它根本不是那样的”。

显然是一位技术乐观主义者的比尔•盖茨(Bill Gates)今年早些时候曾表示,IT行业“宠坏了”人们,让他们以为技术会在其它领域迅速改变。

“我们都被IT模式宠坏了,也被它弄得很困惑,”盖茨在8月份的Techonomy会议上说。“指数级的进步——这很少见。”他说,尤其是电池,有“很深的物理极限”。我正在资助5家电池初创企业,大概有50家。(但是)这是一个非常棘手的问题。它可能无法以任何经济方式解决。”

再举一个例子,看看非食品生物燃料。一些前IT专业人士投身于生物燃料行业,希望能迅速将产品推向市场,但没有人能够在预期的时间内将这项技术大规模商业化。

展望未来,即使比尔·盖茨说电池之类的东西不遵循摩尔定律,这是否意味着我们的能源系统将停留在19世纪?不客气。

例如,随着许多科学家和工程师研究能源储存的各种途径,必然会有一个进步的表现。这些性能改进为未来的研究和部署设置了标准,技术整体上也得到了改进,但在大多数情况下,能源方面的改进只是需要更长的时间。

在这个讨论中还有货币和政策的维度。开发与能源相关的技术比开发一个成功的Web服务需要更多的资金。著名的风险投资家John Doerr指出,燃料电池制造商Bloom Energy目前至少需要2.5亿美元的资金,而谷歌上市仅需要2500万美元的投资。

另一个变化缓慢的是政策。谷歌的前清洁能源专家Dan Reicher说,他在斯坦福大学担任政策职位的原因之一是应对政策变化的缓慢步伐。“即使有良好的技术进步,也没有政策信号或足够的资金来做出改变,”他在上周的一次活动中表示。

需要明确的是,说能量转换需要很长时间并不是说我们不应该麻烦。如果有什么不同的话,那就是理解了使能源系统更清洁的难度之后,我们应该马上开始长期的技术研究项目。

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