困扰台积电的大问题:不是钱,是资源财经

2021-04-28

据彭博社报道,近日台积电正在兴建台南新厂,预计耗资 200 亿美元(约合 1308 亿元人民币),而相应的资源消耗和碳排放量也令人担忧。

芯片制造是一个巨大的资源密集型行业,也是碳排放的一个主要来源。台积电在扩大产能、进军 3nm 芯片的同时,近 10 年的用水量几乎翻了 5 倍,年用电量占中国台湾地区总用电量的 4.8%,超过整个台北市的用电量。

▲4 月 7 日,台积电台南新厂开工建设。

一、造芯片比造汽车污染更大

2020 年 10 月,哈佛大学的乌迪特・古普塔(Udit Gupta)领导他的团队发表了一篇名为《追逐碳:计算机难以捉摸的环境足迹(Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing)》的论文,文中分析了台积电、英特尔和苹果等公司的可持续发展报告,表明随着计算机技术应用越来越普遍,“它对环境的影响也越来越大。”

这项研究量化了计算机系统的碳输出,表明与移动设备和数据中心设备相关的大部分碳排放都来自硬件制造和基础设施。他们发现,到 2030 年,信息和计算技术预计将占用全球能源需求的 20%,而硬件所占的碳排放量比系统操作所占的要多。

研究人员得出结论:“与硬件使用和能源消耗相比,芯片制造是碳排放的主要来源。”

这是一个鲜为人知的事实,而对于推动高端芯片制造的政府来说,这将令他们不安。

美国总统计划在美国建立尖端制造工厂,而这可能会与他的气候友好议程发生冲突。欧盟建立芯片生产的计划可能对此前承诺的“在 2050 年前成为首个气候中立大陆”是一个考验。

▲2021 年 3 月,纽约的格芯半导体制造工厂内。

半导体公司普遍承认碳排放问题的存在,也强调他们正在采取措施减少排放。

但这是一个悖论。半导体行业大力宣扬技术进步,使芯片在运行效率大大提高的同时,在其生命周期内大幅削减能源消耗。然而,随着一块芯片上集成的晶体管数量级越来越大,制造的过程也变得越来越复杂。

目前,一个硅片需要 3 到 4 个月的时间才能加工为成品。晶圆沿着成排的机器流水线前进,这些机器会在硅片的微材料层上烧刻出电路图案,再在后续的自动化过程中清洗掉不需要的部分。其中,用大量的超纯水冲洗也是很重要的一步。因此,每做出一批硅片都要消耗大量的电力和水,排出更多的温室气体。

最先进的芯片制造商比一些传统的重污染行业的碳排放量更大。例如,2019 年,根据被披露的信息,英特尔工厂的用水量是福特汽车工厂的三倍多,而产生的危险性废品是后者的两倍多。

二、台积电用水量十年翻五倍,年用电量超整个台北

比利时 Imec 纳米技术中心的高级研究员玛丽・加西亚・巴登(Marie Garcia Bardon)说:“随着芯片变得越来越复杂,能源消耗和水消耗的增加变成了总趋势。”

由于资源有限,中国台湾地区正处于产业和政府都两难的境地。台积电是中国台湾地区经济的主要推动力,也是克服全球芯片短缺的关键力量。与此同时,环境恶化的迹象引发了人们的担忧:中国台湾地区以及全球半导体供应链是否会受到气候变化的影响?

今年早些时候,中国台湾地区的芯片厂召集了大批运水车,以保持干旱期间的水供应。在过去 10 年里,台积电的用水量增加了近 5 倍,其中 2019 年的用水量相当于 7.9 万个奥运游泳池的容量。

用电量更是惊人,据绿色和平组织(Greenpeace)估计,台积电的年用电量占中国台湾地区总用电量的 4.8%,超过了整个台北的用电量。绿色和平组织表示,一旦台积电的最新晶圆厂开始商业化生产,这一比例将上升至 7.2%。这些晶圆厂将进一步缩小晶圆生产工艺,从目前的 5 纳米缩小到 3 纳米。

▲4 月 7 日中国台湾地区干旱期间,新竹的宝山第二水库。

“未来,电子行业面临的最大挑战就是它能否承受碳排放和电力消耗的压力。”国立台湾大学(National Taiwan University)的周桂田及其团队在 2019 年 10 月发表的一篇论文中写道。

台积电是苹果公司主要的芯片供应商,而苹果公司承诺将在 2030 年实现碳中和,这一承诺推动了整个供应链的变化。台积电承诺,2050 年将 100% 使用可再生能源,并在去年 7 月签署了协议,买下一个 920MW 海上风电场的产量,该风电场将建在台湾海峡,由丹麦的 Orsted A/S 公司建造。

台积电称还将继续开发更先进有效的技术,来减少生产过程以及产品使用期间的资源消耗和污染。

▲台积电新竹工厂外的一块太阳能电池板。

三、投身可再生能源,产业链巨头纷纷表态

彭博社分析师凯尔・哈里森(Kyle Harrison)表示,环境、社会和公司治理(ESG)的出现,正迫使芯片制造商做出回应。他认为对许多企业来说,“风险在于,如果不认真对待 ESG 报告和脱碳工作,它们可能会失去重要的收入来源。”

在芯片制造前沿领域,三星是台积电的强劲竞争对手之一。三星声明,它在美国、欧洲和中国的生产都使用了 100% 的可再生能源,并在韩国平泽和华城的园区采用太阳能和地热发电。三星 CEO 金南・金(Kinam Kim)今年 3 月表示,公司正在提高能源利用效率,减少有害物质的使用。而同在韩国的 SK 海力士今年早些时候发行了 10 亿美元(约合 65 亿元人民币)的绿色债券。

世界上最大的芯片制造商英特尔宣称,他们是美国的三大可再生能源使用者之一,自愿减少碳排放已经超过 20 年。英特尔回收处理了大约 80% 的水,还计划实现 100% 回收。

然而,随着芯片成为中美紧张关系中的地缘政治棋子,各国都争相建造更先进的晶圆厂以实现自我供应,所以对环境的影响仍在加剧。

▲三星在韩国平泽的工厂。

台积电 4 月 1 日透露,计划在未来三年内斥资 1,000 亿美元(约合 6545 亿元人民币)扩大其制造能力,而三星则承诺在未来十年内斥资 1,160 亿美元(约合 7592 亿元人民币)发展其代工业务。英特尔计划耗资 200 亿美元(约合 1309 亿元人民币)在亚利桑那州再建两座晶圆厂。中国也正投入大量资金试图迎头赶上,而许多芯片制造商并不公布其排放情况。

业界和政府都强调,半导体的创新是减少碳排放的关键,例如建造高效能源网和电动汽车。欧盟委员会的一位发言人表示,数字技术可以将全球排放减少 15%,超过该行业造成的排放量。

美国政府的一位高级官员说,美国希望在使用太阳能或风能等清洁能源的地方建造新的芯片生产设施。这位官员说,总统明确承诺要解决气候危机。这位官员还提到了 350 亿美元(约合 2290 亿元人民币)的创新资金,这笔资金将帮助美国成为全球清洁能源技术的领导者。

尽管如此,对于大型企业来说,要改变整个产业链的芯片制造过程绝非易事。

在芯片制造不可或缺的光刻机领域,荷兰阿斯麦(ASML)几乎垄断了全球高端市场。该公司正在通过使用可再生能源、回收零部件以及升级技术来提高效率,解决排放问题。

但阿斯麦预计在 2025 年之前,其总体碳排放量仍将增长,因为其大部分碳排放来源于客户对产品的使用。阿斯麦在 2020 年年度报告中称,要实现其最新机器的节能目标,就得克服“特别难以解决的战略技术挑战”。

结语:可持续,才能更长久地发展

在全球缺芯的背景下,对于台积电这样重要的芯片制造厂商来说,毫无疑问革新技术、扩充产能是重中之重,但同时,对环境和资源造成的影响也不应被忽视。

加里・迪克森(Gary Dickerson)是世界上最大的芯片设备制造商应用材料的 CEO,他认为,行业领导者有责任确保半导体带来的进步是可持续的。

正如他所说,世界正处于百年一遇的重大转折点,这与以煤炭和石油为动力的工业革命形成了鲜明对比。“它对世界产生了非常有意义、积极的影响,”他在接受采访时说,“但从气候变化的角度来看,工业革命或许并不是那么伟大。”

http://www.ginnicoceleste.com/caijing/94.html

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