构成智能城市的半导体

IT 技术使城市更加“智能化”。城市智能化主要是 ：通过 IT 技术，使水、电、煤气，还有写字楼与工厂、住宅等建筑，以及交通机构等互联，提升能源使用效率，创造舒适的生活环境。如今世界各地开展着许多智能城市的示范实验。

这一实验的主角是电力公司、IT 企业以及城市设计咨询公司。但是，半导体厂商正在不断变成最重要的参与者。智能城市建设中，半导体是不可或缺的关键之一。尽管市场有限，但是预计 2020 年，智能化领域的半导体市场规模相对于2010 年将扩大 20 ～ 30 倍。

半导体厂商是“协调员”

智能电表是指在传统的电表中加入通信功能，而智能电表就是由许多半导体器件组成的推进城市智能化的代表性设备。目前世界各地都在纷纷安装智能电表。

智能电表具备的通信功能可分为两类。联接电力公司等所需的通信功能（NAN ：邻域网）、与家内其他设备互联所需的通信功能（HAN ：家域网）。也就是说，智能电表中除了要有测量用电量的半导体器件之外，还有对其进行控制的半导体器件，相应地分为 NAN 与 HAN 两组通信半导体。不仅如此，还需要有许多安装于半导体器件周边的存储器和功率半导体器件等。

进而，与智能电表相互联的家内设备也需要具有通信功能。例如，测量温度的恒温器、智能家电产品、太阳能发电系统、电动汽车、煤气表、水表等，要互联的家内设备有很多种（图 1）。这些设备在人类毫无觉察的情况下相互通信。

美国 Texas Instruments 公司微处理器事业部总经理Markus Staeblein 称 ：“尽管家中状况各不相同，但是在任何环境中所有东西都要互联，这就需要选择拥有成功解决方案的半导体厂商。现在更要求半导体厂商的综合实力”。

其中的“综合实力”不仅指技术实力。为了使各种设备良好地互联，电力公司、电表厂商、家电厂商、汽车厂商都需要紧密配合。而由于半导体厂商处于各行业之间，因此担任起了联结各方需求的协调员的角色。

为何半导体厂商可以作为协调员呢？那是因为物与物开始互联，半导体市场将快速扩大。目前，电力领域的智能电表每年生产 5 000 万部，未来每年超过１亿部是毫无疑问的，半导体市场也将相应达到 100 亿元规模。如果智能水表、智能煤气表等也随之得到普及，不久就会形成两、三倍规模的大市场。如果包括一些家用设备内置的通信半导体器件，半导体器件相关的市场规模还会进一步扩大。

建筑与汽车都将联入通信网进行管理

不仅住宅，办公室、工厂、商店也开始致力于智能化，利用 IT 技术提升能源使用效率。BEMS（建筑物能源管理系统）就是其中一个解决方案，在 BEMS 中，半导体业发挥着重要作用。

例如，办公室内有人时会自动打开照明，无人时会自动关闭，从而实现节能效果。为实现这一功能，需要在建筑内设置半导体人感传感器 ；为了控制空调，需要同样在建筑内设置半导体温度传感器与湿度传感器 ；为了对照明进行具体控制，还需要设置许多光亮度传感器等。

其中一个具体的例子就是日本清水建设公司的建筑控制系统“清水智能 BEMS”。这是该公司基于“必要的人、必要的物、在必要之时、必要之处、仅提供必要功能”的理念来设计的。“清水智能 BEMS”内配制了许多传感器，通过建筑内每个人携带无线个人识别电子标签，可以以每个人为单位控制空调与照明的使用（图 2）。由于每个人对温度与湿度、光亮度的舒适感程度的认同不一样，所以通过这一控制，能够针对不同的需求，既改善个人的舒适度，又提升能源使用效率。

这里所用的传感器以及个人识别电子标签也都是半导体，还有搜集传感器信息通过程序进行处理的单片机以及采集建筑内信息所需的网络设备也都由半导体器件组成。而未来很可能会在钢筋与混凝土搭建的建筑内到处嵌入大量的传感器与单片机。

此外，如果根据室内有几个人、有没有老年人或儿童而改变空调温度设置，那么不仅需要人感传感器，还需要人脸识别以及图像处理功能，那就需要在摄像头中配备相应的半导体器件。

不仅是建筑物，汽车也将成为智能城市的一部分。例如电动汽车。电动汽车普及之后，许多人将集中于特定时间段进行充电，这将对输电网构成极大影响，所以，基于半导体的电动汽车充电控制非常必要。

目前正处于通过实验探索电动汽车普及后的影响及其控制方法的阶段。尤其是有许多将电动汽车作为蓄电池使用的研究，也就是所谓的 V2G（Vehicle to Grid，双向输电）。电力不足时，用电动汽车的蓄电池放电，电流流至输电系统一侧，替代发电机。为了实现这一高级控制，就必须首先收集电动汽车与蓄电池等详细信息。

电动汽车不同于自己家里智能电表进行的通信，它需要在行驶过程保持长期的通信状态。这样一来，通过对某一区域内有多少辆电动汽车、各自的电池余量是多少、将有多少充电需求进行分析之后，就可以将电动汽车作为输电系统的一部分进行管理。为了控制电池，就需要测量电压、电流、温度等并将测量数据发送给管理方。支持实现这些功能的也是半导体器件，所以，如果估算包括充电器在内的电动汽车半导体市场，仅电池管理与通信部分就将达到数百亿元的规模。

城市整体就像一个电子设备那样运行

智能城市通过在所有场所设置传感器，根据测量结果进行综合控制，使得城市整体宛如一个电子设备那样运行，每当光照、气温、湿度、人类行动等外部因素发生变化时，就会按照预先设定的条件进行城市整体性的能源调整与优化运行。例如，根据天气情况运行空调进行温度管理、用太阳能发电系统的剩余电力为电动汽车充电。这些都可以在无需人工干预下自动进行，所有物与物都实现联网、联动。可以说，这个过程中半导体起到了联结作用。

20 世纪 90 年代以来，半导体产业的发展结构通常是通过巨额投资实现大规模生产能力来产生利润。而未来，为了建设智能城市，半导体厂商作为零部件厂商，将为市场提供高精度传感器与高端零部件，同时作为联结产业界协调员的作用也将愈发重要。