Koomey定律表明历史趋势对电效率的影响
电子产品从来没有像今天这样小巧玲珑，且功能完备。由于个人手机和电脑对能源的巨大需求，对于电池的寿命和能量存储有了更多的需求。虽然我们很难计算出有多少能量，但是在2011年，加州大学伯克利分校的研究人员对因特网使用的耗电量做了一个估计，大约为300 GW，相当于所有能耗的2%。纽约时报在2012年做的一项专业的分析表明，这个数字应为大约30 GW。处于对环境的保护，和消费者对电子产品的需求，耗电量更少的电子产品成为人们希望电子产品发展的方向。
但是这并不意味着能源存储并没有实现。Koomey定律表明电脑芯片的能量消耗大约每没一年半就要翻倍。从1946年电脑诞生以来，其发展几乎就符合这项定律。“微处理器效率的关键因素是缩小晶体管的尺寸。”Koomey说。晶体管使用低能量与其尺寸成正比。能量消耗几乎与摩尔定律是平行的，摩尔定律指的是每平方英尺的晶体管的数量每两年会翻一番。然而，虽然微型化的快速步伐已经改变小型设备的规模和价格，提高了效率，但是当计算机芯片收缩时，漏电流也会增加。电脑芯片越小，漏电量就越大。缩小晶体管的另一个问题是，它不会永远发生。Gordon Moore认为在未来十年内晶体管将会靠近渐近极限。因此，研究人员和芯片制造商只能通过其他途径来提高能量效率。
晶体管消耗电能的80%主要集中于晶体管的开关。晶体管最小的操作电压约为1/8伏特。“由于降低晶体管的操作电压已经是不可能，因此半导体制造商不得不转向其他技术，例如通过采用多核来提高装置结构、降低芯片待机耗能等。虽然这些方法可以帮助我们降低能耗，但是在接下来的数十年中，人们需要思考的是变换一种计算方式。”Koomey说。改善能量消耗的一种选择是寻找除硅以外的其他材料，从而可以提高晶体管效率；或者开发转换电压较低的晶体管。然而这些都是早期的研究方向。
Arun Thathachary探究了利用InGaAs来制备纳米芯片的可能性。他们的研究表明，通过InGaAs材料可获得更好的电子迁移率，从而确保芯片可获得更高的电流，这意味着可以在相对较低的电压条件下操作晶体管。同时Gianluca Fiori也探索了使用超薄材料代替硅的可能性。“材料薄的好处是，对于势垒可以很好的控制。如果你有更好的控制，你就至需要更小的能量供应。”而在这些超薄材料中，石墨烯是非常具有竞争力的材料，如果石墨烯也具有能带结构的话。这也并不是说其不能用于晶体管或者开关元器件，相反，石墨烯或者双层石墨烯在射频应用方面具有非常广阔的前景。
2013年IBM推出了一款可模拟无线通信的硅芯片，其晶体管通道就是由石墨烯构成。这种芯片的速度比下一代石墨烯芯片的速度还要快10000倍，且它功能上基本完备，能够在4.3千兆赫的频率范围内接收和处理信号。另一个超薄材料是二硫化钼，这种材料具有宽的能带结构，因此这种材料可用于制造具有较高开—关比和高电压的晶体管。Xiangfeng Duan是开发二硫化钼晶体管的一支团队的一员。而这种材料的缺点也很明显，那就是其电子迁移率要低于石墨烯，但是这种材料适合低能耗、高频率方面的应用。
到目前为止，所有的这些选择都是在研究阶段，要想将这一切即刻变成产品还不现实。Esther Rodriguez-Villegas说，“硅实际上是一种非常好的材料，其他新发现的材料也会带来其他的问题。”即便如此，大型科技公司也在追求能耗更低的产品，期待着一次能耗革命。为了能够使用为了移动市场的需求，新的低能耗芯片则显得非常重要。Rodriguez-Villegas正在开发可穿戴传感器和用于身体健康的植入技术。“这种传感器需要非常可靠，且在很长一段时间内保持功能完善。”
在2015年一月，因特尔宣布了一项居里计划，该计划以英特尔夸克系统级单芯片架构为基础。这种模块可以在非常低的能量状态下操作，且属于可穿戴设备。
当提到可穿戴设备的时候，材料科学家则希望从另一个方向来思考解决能源问题的办法：改变能量源。Zhong Lin Wang正在研究如何从每天生活中的微小振动中收集能量，例如让血液流过植入传感器等。
和个人小装置不同，数据场面临着不同的能源挑战。数据和操作中心的设备更新速度已经明显落后了，因此也损耗了大部分能量，而对于服务器的容量管理是至关重要的。
即使能量效率可以在短期内快速提升，用新材料制备的计算机芯片也不会很快出现，因为很多材料并不能大规模生产，而很多细节也还没有完全弄清楚。
新材料在线编译整理——翻译：杨超 校正：摩天轮