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芯片制造的巨大代價及應對方法

2021-09-20
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: 硅芯片 碳排放

  全球對硅芯片的需求正在蓬勃發展,從智能手機、電視到風力渦輪機都嵌入了硅芯片,但它付出了巨大的代價:碳排放

  行業呈現出一個悖論。實現全球氣候目標將部分依賴于半導體。它們是電動汽車、太陽能電池陣列和風力渦輪機不可或缺的一部分。但芯片制造也助長了氣候危機。它需要大量的能源和水——芯片制造廠或晶圓廠每天可以使用數百萬加侖的水——并且會產生危險廢物。

  隨著半導體行業發現自己越來越受到關注,它開始應對其氣候影響。上周,為蘋果供應芯片的全球最大芯片制造商臺積電承諾到2050 年實現凈零排放。臺積電主席表示,該公司旨在“擴大我們的綠色影響力,推動行業走向低碳可持續發展”。

  但該行業的脫碳將是一個巨大的挑戰。

  根據綠色和平組織的數據,僅臺積電就使用了臺灣地區全部電力的近 5%,預計2022 年將上升至 7.2% ,2019年使用約6300 萬噸水。該公司的用水在今年臺灣干旱期間成為一個有爭議的話題。

  在美國,英特爾在亞利桑那州奧科蒂洛占地 700 英畝的工廠在今年前三個月產生了近 15,000 噸廢物,其中約 60% 是危險的。它還消耗了 9.27 億加侖淡水,足以填滿約 1,400 個奧林匹克游泳池,并消耗 5.61 億千瓦時的能源。

  哈佛大學研究員 Udit Gupta 及其合著者在 2020 年的一篇論文中寫道,芯片制造,而不是能源消耗或硬件使用,“占了電子設備的大部分碳排放” 。

  由于大流行增加了對電子產品的需求以及 Covid 爆發關閉了晶圓廠,全球高端芯片短缺,這增加了對該行業的關注。

  在緊張的市場中,汽車制造商發現自己排在芯片隊列的后面,遠遠落后于蘋果等規模更大的半導體客戶,后者使用芯片為智能手機、筆記本電腦和其他設備提供計算能力。通用汽車本月停止了其北美幾家工廠的生產,而豐田則表示將在 9 月份將其汽車產量削減40%。

  為了增加產量,許多國家正在啟動大型計劃以促進該行業的發展。

  美國芯片法案提議在五年內為美國半導體行業提供 520 億美元的資金。歐盟已經提交了自己的立法,旨在到 2030 年將其在全球芯片市場的份額提高到 20%。歐盟委員會主席烏爾蘇拉·馮德萊恩在她的歐盟國情咨文中稱其為“技術主權問題”。

  這些雄心與國際氣候目標存在潛在沖突。歐盟和美國的目標是到 2030 年實現凈零碳排放,到2050年實現凈零碳排放。隨著半導體行業的發展,其碳排放也將增長。

  然而,在投資者和電子制造商渴望向客戶報告更環保的供應鏈的壓力下,半導體業務一直在加大行動以應對其對氣候的影響。

  安森美半導體首席設計工程師 Sohini Dasgupta 表示:“最近,我開始看到我們對環境的影響完全成為首要問題。

  投資公司 Bernstein 的半導體分析師 Mark Li 表示,基金經理越來越多地推銷”綠色基金“,投資者對公司的環境、社會和治理 (ESG) 影響提出了更多問題。”過去三年,ESG 投資的聲音比以前大了很多,“他補充說,這最終會改變公司的行為方式。

  可再生能源的更多可用性正在幫助芯片制造商減少碳排放。英特爾承諾到 2030 年 100% 的能源來自可再生能源,臺積電也是如此,但截止日期為 2050 年。

  臺積電發言人 Nina Kao 表示,能源消耗占臺積電排放量的 62%。該公司去年與丹麥能源公司 ?rsted 簽署了一項為期 20 年的協議,從 ?rsted 在臺灣海峽建造的 920 兆瓦海上風電場購買所有能源。

  能源咨詢公司 Wood Mackenzie 的可再生能源分析師 Shashi Barla 表示,該交易被稱為全球最大的企業可再生能源采購協議,對臺積電有利。他說,除了保證清潔的電力供應外,它還支付批發成本并擺脫價格沖擊,”一石二鳥“。

  麻省理工學院電氣工程和計算機科學教授 Clifton Fonstad 表示,臺積電的行動有可能影響整個行業,”其它制造商可能會效仿“。

  管理咨詢公司貝恩公司 (Bain & Company) 的半導體制造專家彼得漢伯里 (Peter Hanbury) 表示,除了轉向可再生能源,芯片制造商還可以提高晶圓廠的效率。他說,芯片工廠基本上是”一個內部有潔凈室的巨大倉庫“,而要減少排放,”最簡單的部分是設施本身“。

  晶圓廠可以更有效地調節空氣和水溫、濕度和壓力。他們可以對倉庫進行分段,這樣一條生產線的壓力就高,而另一條生產線的壓力較低,與將整個倉庫保持在高壓下相比,使用的能源更少。

  康奈爾大學從事半導體材料研究的工程學教授 Huili Grace Xing 說,它們可以捕獲更多數據并使用機器學習在不使用時關閉工具。

  還有旨在解決 制造半導體中使用的污染最嚴重的材料的創新。芯片行業在生產過程中使用不同的氣體,其中許多氣體對氣候產生重大影響。

  臺積電表示,它已經安裝了洗滌器和其他設施來處理氣體排放。但另一種方法是更換”更臟“的清潔氣體,這些清潔氣體用于清潔半導體制造中的精密工具,索爾維特殊化學品公司從事半導體氣體研究的化學工程師邁克爾皮特羅夫說。

  皮特羅夫說,在過去六年對大約六家芯片制造商客戶的工業測試中,他和他的團隊用”更清潔“的氟取代了污染更多的氣體,對全球變暖的影響更低。

  其他公司的目標是用于在晶片上蝕刻圖案并清潔硅片表面的氣體——用于制造半導體的薄片材料。例如,總部位于巴黎的工業氣體公司 Air Liquide 已經提出了一系列對全球變暖影響較小的替代蝕刻氣體。

  但更換氣體將是一個挑戰:一旦晶圓廠開始運行,任何接觸硅片的物質,例如蝕刻氣體,都很難改變,Hanbury 說。這個過程涉及大量的精度。晶圓廠必須在郵票大小的晶圓上放置多達 1 億個晶體管,并且需要完美地完成。Hanbury 說,晶圓廠需要4到5年的時間來開發一個配方,”一旦你設定了它,你基本上就不想改變它“。

  一些專家認為,芯片制造商將開始修改他們的工藝以引入更環保的氣體,特別是如果大公司采取行動的話。”如果臺積電轉換,我相信其他人也會,“方斯塔德說。”如果臺積電不這樣做,那么其他制造商可能會轉而證明他們比臺積電更好。“

  對于芯片行業的一些觀察者來說,清理該行業的決心似乎是真實的。李說,目前對芯片的巨大需求只會幫助半導體行業實現可持續發展目標。

  ”他們的利潤率很高,賺了很多錢。因此,即使所有這些綠色碳措施都有成本,但他們可以負擔得起。而且越來越多的客戶愿意為更環保的設備支付更多費用,“他說。




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