芯片制造的巨大代价及应对方法

      全球对硅芯片的需求正在蓬勃发展,从智能手机、电视到风力涡轮机都嵌入了硅芯片,但它付出了巨大的代价:碳排放。

      行业呈现出一个悖论。实现全球气候目标将部分依赖于半导体。它们是电动汽车、太阳能电池阵列和风力涡轮机不可或缺的一部分。但芯片制造也助长了气候危机。它需要大量的能源和水——芯片制造厂或晶圆厂每天可以使用数百万加仑的水——并且会产生危险废物。

      随着半导体行业发现自己越来越受到关注,它开始应对其气候影响。上周,为苹果供应芯片的全球最大芯片制造商台积电承诺到2050 年实现净零排放。台积电主席表示,该公司旨在“扩大我们的绿色影响力,推动行业走向低碳可持续发展”。

      但该行业的脱碳将是一个巨大的挑战。

      根据绿色和平组织的数据,仅台积电就使用了台湾地区全部电力的近 5%,预计2022 年将上升至 7.2% ,2019年使用约6300 万吨水。该公司的用水在今年台湾干旱期间成为一个有争议的话题。

      在美国,英特尔在亚利桑那州奥科蒂洛占地 700 英亩的工厂在今年前三个月产生了近 15,000 吨废物,其中约 60% 是危险的。它还消耗了 9.27 亿加仑淡水,足以填满约 1,400 个奥林匹克游泳池,并消耗 5.61 亿千瓦时的能源。

      哈佛大学研究员 Udit Gupta 及其合著者在 2020 年的一篇论文中写道,芯片制造,而不是能源消耗或硬件使用,“占了电子设备的大部分碳排放” 。

      由于大流行增加了对电子产品的需求以及 Covid 爆发关闭了晶圆厂,全球高端芯片短缺,这增加了对该行业的关注。

      在紧张的市场中,汽车制造商发现自己排在芯片队列的后面,远远落后于苹果等规模更大的半导体客户,后者使用芯片为智能手机、笔记本电脑和其他设备提供计算能力。通用汽车本月停止了其北美几家工厂的生产,而丰田则表示将在 9 月份将其汽车产量削减40%。

      为了增加产量,许多国家正在启动大型计划以促进该行业的发展。

      美国芯片法案提议在五年内为美国半导体行业提供 520 亿美元的资金。欧盟已经提交了自己的立法,旨在到 2030 年将其在全球芯片市场的份额提高到 20%。欧盟委员会主席乌尔苏拉·冯德莱恩在她的欧盟国情咨文中称其为“技术主权问题”。

      这些雄心与国际气候目标存在潜在冲突。欧盟和美国的目标是到 2030 年实现净零碳排放,到2050年实现净零碳排放。随着半导体行业的发展,其碳排放也将增长。

      然而,在投资者和电子制造商渴望向客户报告更环保的供应链的压力下,半导体业务一直在加大行动以应对其对气候的影响。

      安森美半导体首席设计工程师 Sohini Dasgupta 表示:“最近,我开始看到我们对环境的影响完全成为首要问题。

      投资公司 Bernstein 的半导体分析师 Mark Li 表示,基金经理越来越多地推销“绿色基金”,投资者对公司的环境、社会和治理 (ESG) 影响提出了更多问题。“过去三年,ESG 投资的声音比以前大了很多,”他补充说,这最终会改变公司的行为方式。

      可再生能源的更多可用性正在帮助芯片制造商减少碳排放。英特尔承诺到 2030 年 100% 的能源来自可再生能源,台积电也是如此,但截止日期为 2050 年。

      台积电发言人 Nina Kao 表示,能源消耗占台积电排放量的 62%。该公司去年与丹麦能源公司 Ørsted 签署了一项为期 20 年的协议,从 Ørsted 在台湾海峡建造的 920 兆瓦海上风电场购买所有能源。

      能源咨询公司 Wood Mackenzie 的可再生能源分析师 Shashi Barla 表示,该交易被称为全球最大的企业可再生能源采购协议,对台积电有利。他说,除了保证清洁的电力供应外,它还支付批发成本并摆脱价格冲击,“一石二鸟”。

      麻省理工学院电气工程和计算机科学教授 Clifton Fonstad 表示,台积电的行动有可能影响整个行业,“其它制造商可能会效仿”。

      管理咨询公司贝恩公司 (Bain & Company) 的半导体制造专家彼得汉伯里 (Peter Hanbury) 表示,除了转向可再生能源,芯片制造商还可以提高晶圆厂的效率。他说,芯片工厂基本上是“一个内部有洁净室的巨大仓库”,而要减少排放,“最简单的部分是设施本身”。

      晶圆厂可以更有效地调节空气和水温、湿度和压力。他们可以对仓库进行分段,这样一条生产线的压力就高,而另一条生产线的压力较低,与将整个仓库保持在高压下相比,使用的能源更少。

      康奈尔大学从事半导体材料研究的工程学教授 Huili Grace Xing 说,它们可以捕获更多数据并使用机器学习在不使用时关闭工具。

      还有旨在解决 制造半导体中使用的污染最严重的材料的创新。芯片行业在生产过程中使用不同的气体,其中许多气体对气候产生重大影响。

      台积电表示,它已经安装了洗涤器和其他设施来处理气体排放。但另一种方法是更换“更脏”的清洁气体,这些清洁气体用于清洁半导体制造中的精密工具,索尔维特殊化学品公司从事半导体气体研究的化学工程师迈克尔皮特罗夫说。

      皮特罗夫说,在过去六年对大约六家芯片制造商客户的工业测试中,他和他的团队用“更清洁”的氟取代了污染更多的气体,对全球变暖的影响更低。

      其他公司的目标是用于在晶片上蚀刻图案并清洁硅片表面的气体——用于制造半导体的薄片材料。例如,总部位于巴黎的工业气体公司 Air Liquide 已经提出了一系列对全球变暖影响较小的替代蚀刻气体。

      但更换气体将是一个挑战:一旦晶圆厂开始运行,任何接触硅片的物质,例如蚀刻气体,都很难改变,Hanbury 说。这个过程涉及大量的精度。晶圆厂必须在邮票大小的晶圆上放置多达 1 亿个晶体管,并且需要完美地完成。Hanbury 说,晶圆厂需要4到5年的时间来开发一个配方,“一旦你设定了它,你基本上就不想改变它”。

      一些专家认为,芯片制造商将开始修改他们的工艺以引入更环保的气体,特别是如果大公司采取行动的话。“如果台积电转换,我相信其他人也会,”方斯塔德说。“如果台积电不这样做,那么其他制造商可能会转而证明他们比台积电更好。”

      对于芯片行业的一些观察者来说,清理该行业的决心似乎是真实的。李说,目前对芯片的巨大需求只会帮助半导体行业实现可持续发展目标。

      “他们的利润率很高,赚了很多钱。因此,即使所有这些绿色碳措施都有成本,但他们可以负担得起。而且越来越多的客户愿意为更环保的设备支付更多费用,”他说。

(信息来源:半导体行业观察)