從台積電的缺水、缺電困境,了解晶片產業的先進製程悖論

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(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈缺水、断电、染新冠,台积电们为何如此脆弱?〉。)

【為什麼我們要挑選這篇文章】今年,台積電面對缺水、缺電的挑戰,加劇全球的晶片短缺危機。台積電致力追求先進製程,期望提升晶片的效率;與此同時,為了生產先進製程晶片,台積電耗費台灣大量的水電,而且隨著晶片製程技術的提升,台積電的水電消耗也增加。這形成了先進製程悖論:人類追求晶片性能,目的是提升效率,降低運作時的能源消耗,但生產晶片的資源消耗卻在增加,也更容易受到外在環境的影響,讓產業鏈更脆弱。(責任編輯:郭家宏)

春生、夏長、秋收、冬藏,千百年來,傳統農業根據日照、降雨、氣溫等季節天氣的變化規律指導著農耕生產,「看老天吃飯」也成為了紮根土地的人們一代代口耳相傳的古訓。

自工業革命伊始,蒸汽機、煤、鐵和鋼開始減輕人類對畜力、風力和水力由來已久的依賴。隨著工業和科技大躍進時代的加深,在今天,網路打破了人們溝通交流的地理和時空的限制,人工智慧逐漸滲入到社會肌理,無土栽培和人造肉似乎處在顛覆傳統農業和畜牧業的前夕,人類與自然真的越來越遠了嗎?

起碼,從當今集合了人類尖端技術的晶圓代工廠來說,答案並非如此。現實的結果是,以台積電為代表的晶圓代工廠們正遭受著缺水、斷電的困擾,猶如傳統農業一般,處處受到自然環境和資源的限制。

投資花費達百億、千億的高科技晶片工廠們為何如此脆弱?

缺水、缺電、疫情影響台積電的晶片製造

最近讓台灣晶片產業人士揪心的事不少,缺水、缺電的問題還沒解決,新冠疫情帶來的衝擊又使得十餘名晶片工程師遭到隔離。

據報導,近日台積電一名工程師確診,其密切接觸者超過十人。雖台積電表示該員工已於當日居家進行為期十四天的隔離,但除了台積電外亦有晶圓代工廠世界先進、工業電腦大廠研華、記憶體廠商宇瞻、南亞科等硬體廠商員工確診。

台灣疫情的整體形勢仍然嚴峻。據央視報導,繼 5 月 15 日突然升至 180 例本土確診後,目前已經連續 10 天單日新增超過百例。5 月 25 日共新增確診 590 例,包括當日新增的 334 例和「校正回歸」的本土個案 256 例,10 天內累計新增確診 3584 例。

疫情衝擊下,台積電於 5 月 19 日要求部分中高風險地區員工居家辦公,確保公司正常運轉,產能不受衝擊。然而,台灣於 5 月 13 日、5 月 17 日全台規模的分區停電讓晶片廠商們雪上加霜。

據報導,停電原因或由於高雄的興達電廠機組跳電,嗣後又陸續有包括桃園大潭電廠、高雄大林電廠機組相繼跳電,使得全台 2000 萬戶的夜間用電遭到限制。

與此同時,台積電仍在繼續建廠擴大產能,台積電分別在南科、竹科部署 5 nm 和 3 nm 的先進製程晶圓工廠,先進製程工廠的耗電量更大,未來的用電量只會迅猛增長。據瞭解,2018 年,台灣新增電力被台積電吃掉 84.7%;2022 年,台積電的 3 奈米廠,將用掉台灣 3% 的電。屆時,晶片產業的用電緊張疑慮恐怕有增無減。

台積電的年用電量,佔台灣總用電量的 4.8%

晶片製造業是一個巨大的資源消耗型行業,晶片製造工藝繁多,從矽片製造、晶片設計、晶圓製造再到封裝測試,前前後後所需進行的工藝程序不下上千步,其中,不少製造工序對用電量都有巨大的需求。

半導體的製造工序(來源:長江證券整理)

晶片製造中,一台 EUV 光刻機的單日耗電量就可以達到驚人的 3 萬度,而一條生產線中,除了先進製程需要用到的 EUV 光刻機,大概還需要上百台成熟製程的 DUV 光刻機,DUV 的耗電量雖然沒有 EUV 那麼誇張,但也不是小數字。僅在新竹科學園區中,就有著十幾座晶圓代工廠,其耗電量的驚人程度可想而知,而光刻只是晶圓製造眾多程序中的一環。

在晶圓製造中,除了所需的工藝程序和大型設備耗電量巨大,其生產製造環境對溫度、濕度、氣壓、無塵等條件同樣要求苛刻,同樣需要投入大量的電力來維持這些環境控制設備。

如,晶片製造區間的環境空氣過濾,維持無塵的超淨環境;環境溫度控制,要保持整個工廠的環境溫度穩定;製造超純水清洗矽片;以及全世界產能緊缺的情況下,工廠 24 小時連軸運轉。

其中晶圓廠對廠區無塵的要求最為苛刻。在對精度要求極高的奈米級晶片製造上,一粒灰塵就可能導致晶片損壞,越是高性能的晶片,對其原材料矽片的純度要求就越高,以避免其它雜質對其材料的污染。因此,在一般晶圓廠的光刻工作區間內,防塵級別可達到 1 級,即每立方公尺內 0.1 微米的灰塵不能超過 10 個。

由此種種導致晶圓廠耗費的電量巨大,據綠色和平組織估計,台積電的年用電量占台灣總用電量的 4.8%,超過了整個台北市的用電量,恐怖的耗電量也帶來了巨量的熱能排放,因此產生的通風、製冷設備消耗同樣不是小數字。

台積電每日用水量約 20 萬噸,在過去 10 年中成長近 5 倍

晶圓工廠不僅是用電大戶,其工業用水的需求量只多不少。先進製程對晶片精度的要求非常高,因此晶圓工廠的不少工作區為無塵區間,而一些晶圓生產環節需要用大量的超純水沖洗來保證產品的良品率。作為晶片晶圓代工廠龍頭的台積電,其在台灣各工廠的每天用水量達到了近 20 萬噸,且用水量在過去十年中成長了近 5 倍。

如今,台灣水情吃緊,有媒體稱這是 59 年以來台灣最嚴重的一次乾旱,島內不少水庫乾涸,蓄水量不足平日的十分之一。居民的日常生活用水也受到限制,苗栗、台中及彰化部分地方已啟動一週「供五停二」分區限水政策,農業用水方面,甚至停止了 7.4 萬公頃農田灌溉(近台灣灌溉土地的 1/5)。

面對著水荒難題,台積電已經透過使用加油車從其它地區水庫運水的方式來解決,但加油車運水不是長久之計,據瞭解,一輛加油車僅能運 2 噸水左右,晶圓代工廠近 20 萬噸巨大的耗水量使得無數加油車奔波在路上,有媒體表示,台積電內部為此調高買水與水車調度費至 8 億新台幣。為長期解決缺水問題,台積電甚至計劃建造海水淡化廠以滿足晶片製造的工業用水之需。

先進製程悖論:晶片追求性能以提升效率,生產的資源消耗卻在增加

除了近期台積電遭遇的系列缺水缺電事故,在全球範圍內因自然因素導致的晶片工廠停工事件並不鮮見。今年 2 月,美國德克薩斯州爆發的罕見暴風雪導致奧斯汀的數家半導體工廠停產,其中包括三星、恩智浦。

暴風雪導致德克薩斯州的電網幾近癱瘓,居民和工業用電困難,在斷電期間,三星位於該州的工廠停產了一個多月時間。據三星發言人表示,在此期間,三星有約 7.1 萬個晶圓受到生產中斷的影響,預計晶圓損失在 2.68 億美元至 3.57 億美元之間。

要使晶圓廠恢復正常生產也不是一件容易的事情,晶圓生產的週期較長,工序複雜、繁多,當某一工序因斷電不當停止可能出現前功盡棄的情況,若要將產能恢復至較高水平則需一週或更久。

耐人尋味的是,在全球晶片緊缺之際,三星在被問及是否考慮在奧斯汀繼續擴大晶圓產能時,公司官員表示會綜合考慮紐約和亞利桑那州的機會。於此同時,台積電計劃赴美建設的 5 nm 晶圓廠也位於亞利桑那州,另有成熟製程 28 nm 晶圓廠計劃在南京擴產。

三星、台積電的產能擴張的選址地點,其中是否有保障工廠工業用水、用電需求的考量,其影響因子有多大外界不得而知,但能確定的是,作為現代工業結晶的晶圓代工廠,猶如龐然大物般不斷吸取著周邊的資源和養分。

科技終究不總是美好的。科技技術含量越高的先進晶片製程,對水資源、電資源的消耗量越是巨大,可於此相對的是,5 nm 相相較於 7 nm 晶片整體算力的提升卻相對有限。

這就導致行業形成了一個奇怪的悖論——晶片越是追求先進以提高人們的效率、減少消耗,其背後耗費的水電和排放的碳含量卻越高。而近期台灣的景象似乎表明,未來晶片行業的發展狀況取決於地區甚至地球承受資源消耗和碳排放的能力,這種依賴在平日並不明顯,但在一些突發和極端情況下,就顯示出這個行業的脆弱性,考驗著配套的保障能力,這也預示著,晶片的競爭放長來看,將不只是技術本身的爭奪,而是綜合資源和能力的比拚。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈缺水、断电、染新冠,台积电们为何如此脆弱?〉。首圖來源:Pixabay CC Licensed

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