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标题: 锁死半导体发展的，也许不是光刻机而是电费 [打印本页]

作者: 挖机维修 时间: 2023-4-17 20:31
标题: 锁死半导体发展的，也许不是光刻机而是电费
大型强子对撞机（LHC）可以将质子加速到接近光速并进行对撞“粉碎”，从而模仿大爆炸后不敷十亿分之一秒的情况，而且可以验证空间是否隐藏着额外维度等物理学界的颠覆性问题。是物理学研究必不可少的大型实行装备。
但据报道，面对欧洲愈演愈烈的电力危急，欧洲核研究构造为了省电，就决定在11月28日关闭大型强子对撞机（LHC），比原本计划时间早两周。欧洲核研究构造还发布声明称，2023年大型强子对撞机的运行时间将再削减20％。
LHC位于约20万生齿的日内瓦城附近，仅开机就必要1.2万千瓦的功率，运行时功率更可达20万千瓦以上，相称于日内瓦城耗电量的三分之一，确实费电。
但实在，强子对撞机的耗电量，在芯片制造眼前只能算小巫见大巫。
据统计，2021年深圳全社会用电量达1103.4亿千瓦时，此中居民用电约15％，即165.5亿度左右。而台积电2021年耗电191.9亿度，富足深圳约1800万常住生齿一年所需。
越是制程先辈、能耗更低的芯片，其制造过程却越来越耗能。这一悖论如何破解？先辈制程越来越耗电，对作为半导体产业追赶者的中国又意味着什么？
台积电的烦恼
作为举世最大的芯片制造企业，台积电也拥有举世最多的EUV光刻机。
据台湾科技媒体《数位时代》报道，现在台积电EUV装备已凌驾80台，预估到2022年底可到达84台。这一数目，还是遥遥领先于紧随其后的三星——三星电子预估到本年底可望到达51台EUV，不外此中很大比例的EUV必须供DRAM厂利用，且三星在3纳米制程市占率较低，EUV的产能利用率也不如台积电。
据相识，台积电以占行业50％的EUV数目，制造了60％的EUV晶圆。而且，制程越先辈，台积电市占率也越高。据集邦预测，2022年四季度，台积电将贡献73％的EUV先辈制程产能。“台经院”产经资料库总监刘佩真还指出，本年9月台积电3纳米步入量产阶段后，在举世3纳米制程已经得到将近98％的市占率。台积电“吃干抹净”之后，三星的3纳米制程才吃下剩余的2％市场。
EUV数目最多，产能最足，市占率最高，“多管齐下”，台积电的用电也最高。
而EUV光刻机之所以耗电，主要是由于EUV光源的能源转换效率只有 0.02％左右。输出功率250瓦的EUV光刻机，必要输入0.125万千瓦的电力，耗电量是传统ArF光刻机的10倍。那些没被转换成极紫外光的99.98％电能，多数会转换成热量耗散而去，这又必要耗费大量电力去散热。
据统计，一台EUV一年耗电量可到达1000万千瓦时，那么单84台EUV装备就是8.4亿千瓦时，而光刻也只是台积电先辈制程晶圆制造成百上千的环节中，最为耗电的一个部门。此外另有成熟制程的数百台DUV及一系列配套装备，才使得台积电年总耗电量奔着200亿度甚至更多而去。
据台积电社会企业责任陈诉书，2016年，台积电用电量还只是93.58亿度，2020年耗电量就已突破160亿度（也有媒体推算为169亿度，本文以台积电公布数据为准），占据整个台湾5.9％的用电总量；2021年能源斲丧量为191.9亿度，约占台湾的7.2％。预计2025年占比会升至12.5％，也就是约八分之一。高耗能之下，2020年台积电的碳排放总量已经接近1500万吨。
如此高的耗电量，是否会影响台湾其他行业的发展？
如果拿台积电营收对比台湾地区GDP，其2021年营收568亿美元，当年台湾地区GDP约7727亿美元，台积电营收约占台湾GDP的7.35％。但这仅是营收，另有思量其动员影响。台积电就统计，其上下游供应链、客户数百家，动员产值倍数达2.89倍；创作育业倍数达8.12倍。
再加上台湾地区百万股东每年的交易税、股利税，台积电几万名员工（台湾地区员工均匀薪资是台湾根本工资的四倍）缴交的个人所得税等，台积电给台湾地区带来的贡献比例肯定大于其斲丧的电力比例。
但也有台湾媒体品评台湾“独宠半导体产业”，因为台积电外资持股高达约73％，更多获利还是外资，且即使工资再高，台积电5万多员工也仅占台湾就业生齿1146万人的0.4％。《新消息》2022年5月报道直接品评其高耗电：
台积电这座 “护台神山”背后的阴影，是谁在蒙受？在幅员狭窄、能源有限的台湾，为扶植这个高耗电、高耗水量的晶圆工业，又造成哪些倾轧？
台积电当然也在寻找解决方案，好比推动低碳制造、利用再生能源、提拔能源利用效率等，2021年再生能源总发电量到达 488 万度，以应对高耗能的指责。
2020年，台积电与沃旭能源签下了920MW装机容量的海上风电购买协议，利用期限为二十年。此外台积电也在积极建设太阳能电站，2021年新增太阳能装机容量231千瓦，2022年也计划再扩充200千瓦太阳能装机容量，但品评者依然认为，相比于常常加班的台积电产线，“太阳不会加班”。
尽管台积电包括5纳米、3纳米厂以及新竹研发中心均承诺采用20％绿电，预估绿电需求约15亿度；2019年还宣布为大客户苹果制造的芯片将100％改采绿电生产。
但台湾绿电并不够，对于缓解先辈制程的能耗，仍旧是杯水车薪。
台积电2020年企业社会责任陈诉就不得不承认：由于主要营运生产所在地位于台湾，再生能源仍未到达西欧地区之供应富足度，因此在产能连续成长下，即便执行举世同业最佳的节能减碳尺度、告竣单元产物碳排量下降目标，仍无法克制团体碳排量的连续攀升。
成熟制程是否有着同样的能耗烦恼
台积电究竟以先辈制程为主，EUV能耗十倍于DUV，晶圆制造浩繁环节下来团体耗电也更多。那么，对于依然以成熟制程为主，提供0.35 微米至14纳米多种技能节点代工，还没有EUV光刻机的中芯国际来说，能耗是否是一个问题呢？
据中芯国际2021年报，当年能源斲丧总量为2887.69百万千瓦时，也就是约28.88亿度电；能源斲丧强度为12.77千瓦时/8吋晶圆当量-光罩数，相比2020年的11.48千瓦时/8吋晶圆当量-光罩数，增长了11.24％。
据台积电2021年ESG陈诉，当年单元产物用电量为25.9千瓦时/12吋晶圆当量-光罩数，相比2020年的26.7千瓦时/12吋晶圆当量-光罩数略有下降。尽管8吋和12吋晶圆对应的芯片产出不同，不好直接对比，但也可以看出先辈制程单晶圆能耗是更高的。
而2020年至2021年，台积电分别用相称于中芯国际7.78倍、6.64倍的能耗，均做出了十倍出头的营收。不外，先辈制程晶圆制造耗电更高，营收也更高，不好直接对比台积电与中芯国际的能耗程度。但可以做个估算：同样的营收规模，先辈制程晶圆由于代工价格更高，数目上肯定少于成熟制程晶圆。因此台积电的晶圆产量肯定不会和营收那样是中芯国际的十倍。
据Knometa Research统计，台积电2021年晶圆月均产量到达280万片，占据举世13％的市场，次于月均产量405万片晶圆的三星，位居天下第二；2021年中芯国际8英寸约当晶圆总产量达675万4788片，月均产量56.29万片仅有台积电的五分之一，举世份额2.6％。
果然，2021年，台积电用接近七倍于中芯国际的耗电，生产出五倍的晶圆，实现10.44倍的营收。
不外，作为成熟制程为主的晶圆制造企业，单以耗电与晶圆的倍数关系上，中芯国际的团体能耗也仅是略低于先辈制程为主的台积电。
究竟，光刻机的能耗只是晶圆制造的此中一个环节，另有更多环节与工序的耗电。从原质料到制品芯片的整个过程通常必要 85 天，包括多达300多道独立工序，完成这些工序涉及的装备包括离子注入机、光刻步进机、沉积体系、氧化炉、蚀刻机等，此外另有氛围净化、超纯水制备、超清洁厂房情况的维系等。
当然，比年来，为了低沉能耗，中芯国际也接纳了冰机优化节能、新风体系节能、蒸汽节能等步伐。好比，中芯国际深圳厂对冰水体系的 11 套冰机加装节能控制体系及变频器、传感器等控制部件，优化冰机体系的运行效率和工况，节能改造后，每年用电量低沉8.5-10.2％，实现节能约 296.87万度电。
不外，几百万度电，对于偌大的半导体制造而言，也只是聊胜于无。这些复杂半导体制造工艺中的每一步，仍旧必要耗费大量的电力以及天然气等能源。而这，是不分成熟制程与先辈制程的。EUV光刻机一个环节所带来的十倍能耗增长，并不意味着成熟制程团体环节就能节省更多电。
成熟制程，同样有着能耗烦恼。
电力也是半导体产业的竞争力
半导体制造的每一个环节，都必要高质量、高可靠的电源。因为任何电力供应问题，比方停电或电压骤降，都大概扰乱晶圆制造产线的运营并导致晶圆良率低沉、批次浪费。
半导体制程越先辈，能耗越高的趋势也是不可避免的。现在来看，尽管可以从多个环节进行能耗优化，但可以或许淘汰的耗电还是有限的。
台北科技大学干净技能中心曾利用自己开发的能源模仿（FES）软件，依据台湾半导体制造厂房的需求和装备范例进行五项模仿分析，以估计每种情况下可以节省多少能源：（1）更换 FFU（风扇过滤单元）电机或/和过滤器；（2）更换新风机组（MAU）风机；（3）拆除MAU中的加热盘管；（4）更换离心冷水机；（5）前四项调整集合起来同时进行。末了发现，每种情况的节电率分别为 1.39％（2951.02MWh）、0.25％（520.57MWh）、0.22％（460.93MWh）、1.91％（4044.59）和 3.68％（7796.05MWh）。
也就是说，一座原本年耗电可达数亿度电的半导体厂房，经过如此过细的优化，最多也只能节省出779.6万度电。
当然，节省一分钱也是钱。麦肯锡陈诉“Bringing energy efficiency to the fab”就指出，晶圆厂往往更思量厂房的可靠性、稳定性，而对电力斲丧优化不到位，一些晶圆厂甚至整个清洁厂房只有一个功率表，尽管此中包含数十个功率麋集型的半导体装备，压缩机和氛围过滤装备常常会过分运行，而制冷机也会过分冷却空调体系的水。
一样平常来说，一座晶圆厂每年都会斲丧数亿度电，而且无论晶圆产量多少，都必须维持厂房的清洁情况，除非关闭产线。那么，当芯片需求下降、晶圆产能低沉时，每片晶圆的均匀能源资本就会上升，并腐蚀晶圆制造方的利润率。
对于台积电来说，现在不仅面对着芯片周期下行，也面对着电价上涨的难题。
本年6月底，台“经济主管部门”以燃料价格上涨为由，宣布自7月1日起对用电大户调涨电价，此中工业领域高压、特高压电力用户电费上调15％；用电凌驾1000度以上的住宅用户，超出千度部门调涨9％，受影响住宅用户约36万户；均匀电价由每度2.6253元新台币调涨到2.8458元新台币。
前几天娱乐圈闹得沸沸扬扬的汪小菲不给大S交电费事件，许多人推测也与台湾电费上涨有关。
不外，对于低沉晶圆厂能源斲丧，麦肯锡在研究陈诉中开出的解决方案是“加人”——晶圆厂可以创建专业的能源管理团队。麦肯锡认为，相比于许多晶圆厂电力斲丧每年达数万万美元，但却只用一名兼职工程师负责能源管理；更建议晶圆厂创建一个由至少一名司理、三至五名体系专家和其他兼职专家组成的能源管理团队，寻找解决方案，负责能源效率的进步。
但实际上，“加人”不如“加装备”。好比将空调机组更换为更高效的机型，通过能量接纳装备冷却器产生的余热可用于加热水或工厂本身，增长更多传感器搜集功率变化信息等。半导体装备贸易同样可以或许提供节能支持，如应用质料就宣称自己提供的iSystem 控制器等装备，可以或许允许用户在产线不同环节不同利用率下，将预期空闲时间传达给工艺装备实现“空闲模式”以低沉能耗，电力运行资本最多可以低沉10％。
一座半导体工厂的耗能，已经不亚于煤化工、石油化工等重工业。
10月13日，台积电财政长黄仁昭表示，此前预估的2022年400亿至440亿美元的资源支出目标，现在则降至约360亿美元。这固然与半导体周期下行有关，但台湾电力供应不稳定，也会成为影响台积电决策的紧张因素。
而中芯国际11月则宣布，要将整年资源支出从约320.5亿元上调为456.0亿元，上调合计136亿元，主要是为了付出长交期装备提前下单的预付款。中芯国际还在投资者互动平台表示，公司未来五到七年有中芯深圳、中芯都城、中芯东方、中芯西青统共约34万片12英寸新产线的建设项目，这些晶圆厂都专注于28纳米及以上的工艺制造。
从28纳米到14纳米，再到7纳米、5纳米甚至更低，中芯国际还面对着浩繁挑战。大陆的晶圆厂也许难以得到先辈光刻机，但相比台湾却有着更加稳定的电力供应。
2021年，中国发电量到达81121.8亿千瓦时，而美国为41155.4亿千瓦时。中国几乎是美国的两倍。
半导体产业当然必要光刻机，必要各种半导体装备、质料，但同样必要庞大的电力供应。不管是否绿电，前提都必须稳定、可靠，且具备价格优势。究竟，电力斲丧占晶圆制造厂运营资本的比例正越来越高。一个更能稳定供应的电力基础设施，也是未来半导体产业竞争背后不可或缺的力气。
本文源自亿欧网

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