文｜陳俊一

編輯｜常亮

誰(shuí)都沒(méi)有想到，鎖死人類物理學(xué)發(fā)展的，不是三體世界的“智子”，而是人類自己的供電能力。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）可以將質(zhì)子加速到接近光速并進(jìn)行對(duì)撞“粉碎”，從而模擬大爆炸后不足十億分之一秒的情況，并且可以驗(yàn)證空間是否隱藏著額外維度等物理學(xué)界的顛覆性問(wèn)題。是物理學(xué)研究必不可少的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

但據(jù)報(bào)道，面對(duì)歐洲愈演愈烈的電力危機(jī)，歐洲核研究組織為了省電，就決定在11月28日關(guān)閉大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），比原本計(jì)劃時(shí)間早兩周。歐洲核研究組織還發(fā)布聲明稱，2023年大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的運(yùn)行時(shí)間將再削減20%。

LHC位于約20萬(wàn)人口的日內(nèi)瓦城附近，僅開(kāi)機(jī)就需要1.2萬(wàn)千瓦的功率，運(yùn)行時(shí)功率更可達(dá)20萬(wàn)千瓦以上，相當(dāng)于日內(nèi)瓦城耗電量的三分之一，確實(shí)費(fèi)電。

但其實(shí)，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的耗電量，在芯片制造面前只能算小巫見(jiàn)大巫。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年深圳全社會(huì)用電量達(dá)1103.4億千瓦時(shí)，其中居民用電約15%，即165.5億度左右。而臺(tái)積電2021年耗電191.9億度，足夠深圳約1800萬(wàn)常住人口一年所需。

越是制程先進(jìn)、能耗更低的芯片，其制造過(guò)程卻越來(lái)越耗能。這一悖論如何破解？先進(jìn)制程越來(lái)越耗電，對(duì)作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)追趕者的中國(guó)又意味著什么？

臺(tái)積電的煩惱

作為全球最大的芯片制造企業(yè)，臺(tái)積電也擁有全球最多的EUV光刻機(jī)。

據(jù)臺(tái)灣科技媒體《數(shù)位時(shí)代》報(bào)道，目前臺(tái)積電EUV設(shè)備已超過(guò)80臺(tái)，預(yù)估到2022年底可達(dá)到84臺(tái)。這一數(shù)量，還是遙遙領(lǐng)先于緊隨其后的三星——三星電子預(yù)估到今年底可望達(dá)到51臺(tái)EUV，不過(guò)其中很大比例的EUV必須供DRAM廠使用，且三星在3納米制程市占率較低，EUV的產(chǎn)能利用率也不如臺(tái)積電。

據(jù)了解，臺(tái)積電以占行業(yè)50%的EUV數(shù)量，制造了60%的EUV晶圓。而且，制程越先進(jìn)，臺(tái)積電市占率也越高。據(jù)集邦預(yù)測(cè)，2022年四季度，臺(tái)積電將貢獻(xiàn)73%的EUV先進(jìn)制程產(chǎn)能?！芭_(tái)經(jīng)院”產(chǎn)經(jīng)資料庫(kù)總監(jiān)劉佩真還指出，今年9月臺(tái)積電3納米步入量產(chǎn)階段后，在全球3納米制程已經(jīng)獲得將近98%的市占率。臺(tái)積電“吃干抹凈”之后，三星的3納米制程才吃下剩余的2%市場(chǎng)。

EUV數(shù)量最多，產(chǎn)能最足，市占率最高，“多管齊下”，臺(tái)積電的用電也最高。

而EUV光刻機(jī)之所以耗電，主要是由于EUV光源的能源轉(zhuǎn)換效率只有 0.02% 左右。輸出功率250瓦的EUV光刻機(jī)，需要輸入0.125萬(wàn)千瓦的電力，耗電量是傳統(tǒng)ArF光刻機(jī)的10倍。那些沒(méi)被轉(zhuǎn)換成極紫外光的99.98%電能，大都會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量耗散而去，這又需要耗費(fèi)大量電力去散熱。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)EUV一年耗電量可達(dá)到1000萬(wàn)千瓦時(shí)，那么單84臺(tái)EUV設(shè)備就是8.4億千瓦時(shí)，而光刻也只是臺(tái)積電先進(jìn)制程晶圓制造成百上千的環(huán)節(jié)中，最為耗電的一個(gè)部分。此外還有成熟制程的數(shù)百臺(tái)DUV及一系列配套設(shè)備，才使得臺(tái)積電年總耗電量奔著200億度甚至更多而去。

據(jù)臺(tái)積電社會(huì)企業(yè)責(zé)任報(bào)告書，2016年，臺(tái)積電用電量還只是93.58億度，2020年耗電量就已突破160億度（也有媒體推算為169億度，本文以臺(tái)積電公布數(shù)據(jù)為準(zhǔn)），占據(jù)整個(gè)臺(tái)灣5.9%的用電總量；2021年能源消耗量為191.9億度，約占臺(tái)灣的7.2%。預(yù)計(jì)2025年占比會(huì)升至12.5%，也就是約八分之一。高耗能之下，2020年臺(tái)積電的碳排放總量已經(jīng)接近1500萬(wàn)噸。

如此高的耗電量，是否會(huì)影響臺(tái)灣其他行業(yè)的發(fā)展？

如果拿臺(tái)積電營(yíng)收對(duì)比臺(tái)灣地區(qū)GDP，其2021年?duì)I收568億美元，當(dāng)年臺(tái)灣地區(qū)GDP約7727億美元，臺(tái)積電營(yíng)收約占臺(tái)灣GDP的7.35%。但這僅是營(yíng)收，還有考慮其帶動(dòng)影響。臺(tái)積電就統(tǒng)計(jì)，其上下游供應(yīng)鏈、客戶數(shù)百家，帶動(dòng)產(chǎn)值倍數(shù)達(dá)2.89倍；創(chuàng)造就業(yè)倍數(shù)達(dá)8.12倍。

再加上臺(tái)灣地區(qū)百萬(wàn)股東每年的交易稅、股利稅，臺(tái)積電幾萬(wàn)名員工（臺(tái)灣地區(qū)員工平均薪資是臺(tái)灣基本工資的四倍）繳交的個(gè)人所得稅等，臺(tái)積電給臺(tái)灣地區(qū)帶來(lái)的貢獻(xiàn)比例肯定大于其消耗的電力比例。

但也有臺(tái)灣媒體批評(píng)臺(tái)灣“獨(dú)寵半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)”，因?yàn)榕_(tái)積電外資持股高達(dá)約73%，更多獲利還是外資，且即使工資再高，臺(tái)積電5萬(wàn)多員工也僅占臺(tái)灣就業(yè)人口1146萬(wàn)人的0.4％?！缎滦侣劇?022年5月報(bào)道直接批評(píng)其高耗電：

臺(tái)積電這座 “護(hù)臺(tái)神山”背后的陰影，是誰(shuí)在承受？在幅員狹小、能源有限的臺(tái)灣，為扶植這個(gè)高耗電、高耗水量的晶圓工業(yè)，又造成哪些排擠？

臺(tái)積電當(dāng)然也在尋找解決方案，比如推動(dòng)低碳制造、使用再生能源、提升能源使用效率等，2021年再生能源總發(fā)電量達(dá)到 488 萬(wàn)度，以應(yīng)對(duì)高耗能的指責(zé)。

2020年，臺(tái)積電與沃旭能源簽下了920MW裝機(jī)容量的海上風(fēng)電購(gòu)買協(xié)議，使用期限為二十年。此外臺(tái)積電也在積極建設(shè)太陽(yáng)能電站，2021年新增太陽(yáng)能裝機(jī)容量231千瓦，2022年也計(jì)劃再擴(kuò)充200千瓦太陽(yáng)能裝機(jī)容量，但批評(píng)者依然認(rèn)為，相比于經(jīng)常加班的臺(tái)積電產(chǎn)線，“太陽(yáng)不會(huì)加班”。

盡管臺(tái)積電包括5納米、3納米廠以及新竹研發(fā)中心均承諾采用20%綠電，預(yù)估綠電需求約15億度；2019年還宣布為大客戶蘋果制造的芯片將100%改采綠電生產(chǎn)。

但臺(tái)灣綠電并不夠，對(duì)于緩解先進(jìn)制程的能耗，仍然是杯水車薪。

臺(tái)積電2020年企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告就不得不承認(rèn)：由于主要營(yíng)運(yùn)生產(chǎn)所在地位于臺(tái)灣，再生能源仍未達(dá)到歐美地區(qū)之供應(yīng)充足度，因此在產(chǎn)能持續(xù)成長(zhǎng)下，即便執(zhí)行全球同業(yè)最佳的節(jié)能減碳標(biāo)準(zhǔn)、達(dá)成單位產(chǎn)品碳排量下降目標(biāo)，仍無(wú)法抑制整體碳排量的持續(xù)攀升。

成熟制程是否有著同樣的能耗煩惱

臺(tái)積電畢竟以先進(jìn)制程為主，EUV能耗十倍于DUV，晶圓制造眾多環(huán)節(jié)下來(lái)整體耗電也更多。那么，對(duì)于依然以成熟制程為主，提供0.35 微米至14納米多種技術(shù)節(jié)點(diǎn)代工，還沒(méi)有EUV光刻機(jī)的中芯國(guó)際來(lái)說(shuō)，能耗是否是一個(gè)問(wèn)題呢？

據(jù)中芯國(guó)際2021年報(bào)，當(dāng)年能源消耗總量為2887.69百萬(wàn)千瓦時(shí)，也就是約28.88億度電；能源消耗強(qiáng)度為12.77千瓦時(shí)/8吋晶圓當(dāng)量-光罩?jǐn)?shù)，相比2020年的11.48千瓦時(shí)/8吋晶圓當(dāng)量-光罩?jǐn)?shù)，增加了11.24%。

據(jù)臺(tái)積電2021年ESG報(bào)告，當(dāng)年單位產(chǎn)品用電量為25.9千瓦時(shí)/12吋晶圓當(dāng)量-光罩?jǐn)?shù)，相比2020年的26.7千瓦時(shí)/12吋晶圓當(dāng)量-光罩?jǐn)?shù)略有下降。盡管8吋和12吋晶圓對(duì)應(yīng)的芯片產(chǎn)出不同，不好直接對(duì)比，但也可以看出先進(jìn)制程單晶圓能耗是更高的。

而2020年至2021年，臺(tái)積電分別用相當(dāng)于中芯國(guó)際7.78倍、6.64倍的能耗，均做出了十倍出頭的營(yíng)收。不過(guò)，先進(jìn)制程晶圓制造耗電更高，營(yíng)收也更高，不好直接對(duì)比臺(tái)積電與中芯國(guó)際的能耗水平。但可以做個(gè)估算：同樣的營(yíng)收規(guī)模，先進(jìn)制程晶圓由于代工價(jià)格更高，數(shù)量上肯定少于成熟制程晶圓。因此臺(tái)積電的晶圓產(chǎn)量肯定不會(huì)和營(yíng)收那樣是中芯國(guó)際的十倍。

據(jù)Knometa Research統(tǒng)計(jì)，臺(tái)積電2021年晶圓月均產(chǎn)量達(dá)到280萬(wàn)片，占據(jù)全球13%的市場(chǎng)，次于月均產(chǎn)量405萬(wàn)片晶圓的三星，位居世界第二；2021年中芯國(guó)際8英寸約當(dāng)晶圓總產(chǎn)量達(dá)675萬(wàn)4788片，月均產(chǎn)量56.29萬(wàn)片僅有臺(tái)積電的五分之一，全球份額2.6%。

果然，2021年，臺(tái)積電用接近七倍于中芯國(guó)際的耗電，生產(chǎn)出五倍的晶圓，實(shí)現(xiàn)10.44倍的營(yíng)收。

不過(guò)，作為成熟制程為主的晶圓制造企業(yè)，單以耗電與晶圓的倍數(shù)關(guān)系上，中芯國(guó)際的整體能耗也僅是略低于先進(jìn)制程為主的臺(tái)積電。

畢竟，光刻機(jī)的能耗只是晶圓制造的其中一個(gè)環(huán)節(jié)，還有更多環(huán)節(jié)與工序的耗電。從原材料到成品芯片的整個(gè)過(guò)程通常需要 85 天，包括多達(dá)300多道獨(dú)立工序，完成這些工序涉及的設(shè)備包括離子注入機(jī)、光刻步進(jìn)機(jī)、沉積系統(tǒng)、氧化爐、蝕刻機(jī)等，此外還有空氣凈化、超純水制備、超潔凈廠房環(huán)境的維系等。

當(dāng)然，近年來(lái)，為了降低能耗，中芯國(guó)際也采取了冰機(jī)優(yōu)化節(jié)能、新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能、蒸汽節(jié)能等措施。比如，中芯國(guó)際深圳廠對(duì)冰水系統(tǒng)的 11 套冰機(jī)加裝節(jié)能控制系統(tǒng)及變頻器、傳感器等控制部件，優(yōu)化冰機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和工況，節(jié)能改造后，每年用電量降低8.5-10.2%，實(shí)現(xiàn)節(jié)能約 296.87萬(wàn)度電。

不過(guò)，幾百萬(wàn)度電，對(duì)于偌大的半導(dǎo)體制造而言，也只是聊勝于無(wú)。這些復(fù)雜半導(dǎo)體制造工藝中的每一步，仍然需要耗費(fèi)大量的電力以及天然氣等能源。而這，是不分成熟制程與先進(jìn)制程的。EUV光刻機(jī)一個(gè)環(huán)節(jié)所帶來(lái)的十倍能耗增加，并不意味著成熟制程整體環(huán)節(jié)就能節(jié)省更多電。

成熟制程，同樣有著能耗煩惱。

電力也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力

半導(dǎo)體制造的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都需要高質(zhì)量、高可靠的電源。因?yàn)槿魏坞娏?yīng)問(wèn)題，例如停電或電壓驟降，都可能擾亂晶圓制造產(chǎn)線的運(yùn)營(yíng)并導(dǎo)致晶圓良率降低、批次浪費(fèi)。

半導(dǎo)體制程越先進(jìn)，能耗越高的趨勢(shì)也是不可避免的。目前來(lái)看，盡管可以從多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗優(yōu)化，但能夠減少的耗電還是有限的。

臺(tái)北科技大學(xué)清潔技術(shù)中心曾利用自己開(kāi)發(fā)的能源模擬（FES）軟件，依據(jù)臺(tái)灣半導(dǎo)體制造廠房的需求和設(shè)備類型進(jìn)行五項(xiàng)模擬分析，以估計(jì)每種情況下可以節(jié)省多少能源：(1) 更換 FFU（風(fēng)扇過(guò)濾單元）電機(jī)或/和過(guò)濾器；(2) 更換新風(fēng)機(jī)組（MAU）風(fēng)機(jī)；(3) 拆除MAU中的加熱盤管；(4)更換離心冷水機(jī)；(5)前四項(xiàng)調(diào)整集合起來(lái)同時(shí)進(jìn)行。最后發(fā)現(xiàn)，每種情況的節(jié)電率分別為 1.39%（2951.02MWh）、0.25%（520.57MWh）、0.22%（460.93MWh）、1.91%（4044.59）和 3.68%（7796.05MWh）。

也就是說(shuō)，一座原本年耗電可達(dá)數(shù)億度電的半導(dǎo)體廠房，經(jīng)過(guò)如此細(xì)致的優(yōu)化，最多也只能節(jié)省出779.6萬(wàn)度電。

當(dāng)然，節(jié)省一分錢也是錢。麥肯錫報(bào)告“Bringing energy efficiency to the fab”就指出，晶圓廠往往更考慮廠房的可靠性、穩(wěn)定性，而對(duì)電力消耗優(yōu)化不到位，一些晶圓廠甚至整個(gè)潔凈廠房只有一個(gè)功率表，盡管其中包含數(shù)十個(gè)功率密集型的半導(dǎo)體設(shè)備，壓縮機(jī)和空氣過(guò)濾設(shè)備經(jīng)常會(huì)過(guò)度運(yùn)行，而制冷機(jī)也會(huì)過(guò)度冷卻空調(diào)系統(tǒng)的水。

一般來(lái)說(shuō)，一座晶圓廠每年都會(huì)消耗數(shù)億度電，而且無(wú)論晶圓產(chǎn)量多少，都必須維持廠房的潔凈環(huán)境，除非關(guān)閉產(chǎn)線。那么，當(dāng)芯片需求下降、晶圓產(chǎn)能降低時(shí)，每片晶圓的平均能源成本就會(huì)上升，并侵蝕晶圓制造方的利潤(rùn)率。

對(duì)于臺(tái)積電來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在不僅面臨著芯片周期下行，也面臨著電價(jià)上漲的難題。

今年6月底，臺(tái)“經(jīng)濟(jì)主管部門”以燃料價(jià)格上漲為由，宣布自7月1日起對(duì)用電大戶調(diào)漲電價(jià)，其中工業(yè)領(lǐng)域高壓、特高壓電力用戶電費(fèi)上調(diào)15%；用電超過(guò)1000度以上的住宅用戶，超出千度部分調(diào)漲9%，受影響住宅用戶約36萬(wàn)戶；平均電價(jià)由每度2.6253元新臺(tái)幣調(diào)漲到2.8458元新臺(tái)幣。

前幾天娛樂(lè)圈鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的汪小菲不給大S交電費(fèi)事件，很多人推測(cè)也與臺(tái)灣電費(fèi)上漲有關(guān)。

不過(guò)，對(duì)于降低晶圓廠能源消耗，麥肯錫在研究報(bào)告中開(kāi)出的解決方案是“加人”——晶圓廠可以建立專業(yè)的能源管理團(tuán)隊(duì)。麥肯錫認(rèn)為，相比于許多晶圓廠電力消耗每年達(dá)數(shù)千萬(wàn)美元，但卻只用一名兼職工程師負(fù)責(zé)能源管理；更建議晶圓廠建立一個(gè)由至少一名經(jīng)理、三至五名系統(tǒng)專家和其他兼職專家組成的能源管理團(tuán)隊(duì)，尋找解決方案，負(fù)責(zé)能源效率的提高。

但實(shí)際上，“加人”不如“加設(shè)備”。比如將空調(diào)機(jī)組更換為更高效的機(jī)型，通過(guò)能量回收設(shè)備冷卻器產(chǎn)生的余熱可用于加熱水或工廠本身，增加更多傳感器搜集功率變化信息等。半導(dǎo)體設(shè)備商業(yè)同樣能夠提供節(jié)能支持，如應(yīng)用材料就宣稱自己提供的iSystem 控制器等設(shè)備，能夠允許用戶在產(chǎn)線不同環(huán)節(jié)不同利用率下，將預(yù)期空閑時(shí)間傳達(dá)給工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)“空閑模式”以降低能耗，電力運(yùn)行成本最多可以降低10%。

一座半導(dǎo)體工廠的耗能，已經(jīng)不亞于煤化工、石油化工等重工業(yè)。

10月13日，臺(tái)積電財(cái)務(wù)長(zhǎng)黃仁昭表示，此前預(yù)估的2022年400億至440億美元的資本支出目標(biāo)，目前則降至約360億美元。這雖然與半導(dǎo)體周期下行有關(guān)，但臺(tái)灣電力供應(yīng)不穩(wěn)定，也會(huì)成為影響臺(tái)積電決策的重要因素。

而中芯國(guó)際11月則宣布，要將全年資本支出從約320.5億元上調(diào)為456.0億元，上調(diào)合計(jì)136億元，主要是為了支付長(zhǎng)交期設(shè)備提前下單的預(yù)付款。中芯國(guó)際還在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，公司未來(lái)五到七年有中芯深圳、中芯京城、中芯東方、中芯西青總共約34萬(wàn)片12英寸新產(chǎn)線的建設(shè)項(xiàng)目，這些晶圓廠都專注于28納米及以上的工藝制造。

從28納米到14納米，再到7納米、5納米甚至更低，中芯國(guó)際還面臨著眾多挑戰(zhàn)。大陸的晶圓廠也許難以獲得先進(jìn)光刻機(jī)，但相比臺(tái)灣卻有著更加穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

2021年，中國(guó)發(fā)電量達(dá)到81121.8億千瓦時(shí) ，而美國(guó)為41155.4億千瓦時(shí)。中國(guó)幾乎是美國(guó)的兩倍。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)然需要光刻機(jī)，需要各種半導(dǎo)體設(shè)備、材料，但同樣需要龐大的電力供應(yīng)。不管是否綠電，前提都必須穩(wěn)定、可靠，且具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)。畢竟，電力消耗占晶圓制造廠運(yùn)營(yíng)成本的比例正越來(lái)越高。一個(gè)更能穩(wěn)定供應(yīng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施，也是未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)背后不可或缺的力量。

參考文獻(xiàn)：

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2.《臺(tái)積電企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告書“這段話”　背后竟隱含著臺(tái)灣低碳基礎(chǔ)設(shè)施不足、恐難吸引外資的窘境》，今周刊

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