文｜陈俊一
编辑｜常亮
谁都没有想到，锁死人类物理学发展的，不是三体天下的“智子”，而是人类本身的供电本领。
大型强子对撞机（LHC）可以将质子加速到接近光速并举行对撞“粉碎”，从而模拟大爆炸后不足十亿分之一秒的环境，并且可以验证空间是否潜伏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验装备。
但据报道，面对欧洲愈演愈烈的电力危急，欧洲核研究组织为了省电，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。欧洲核研究组织还发布声明称，2023年大型强子对撞机的运行时间将再减少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。
但其实，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，其中住民用电约15%，即165.5亿度左右。而台积电2021年耗电191.9亿度，足够深圳约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。这一悖论怎样破解？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，目前台积电EUV装备已超过80台，预估到2022年底可达到84台。这一数目，照旧遥遥领先于紧随其后的三星——三星电子预估到今年底可望达到51台EUV，不过其中很大比例的EUV必须供DRAM厂使用，且三星在3纳米制程市占率较低，EUV的产能使用率也不如台积电。
据了解，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，今年9月台积电3纳米步入量产阶段后，在举世3纳米制程已经得到快要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光刻机之以是耗电，主要是由于EUV光源的能源转换服从只有 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一年耗电量可达到1000万千瓦时，那么单84台EUV装备就是8.4亿千瓦时，而光刻也执偾台积电先辈制程晶圆制造成百上千的环节中，最为耗电的一个部分。此外还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200亿度以致更多而去。
据台积电社会企业责任报告书，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年能源消耗量为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，还有考虑其动员影响。台积电就统计，其上卑鄙供应链、客户数百家，动员产值倍数达2.89倍；创造就业倍数达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（台湾地区员工平均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消耗的电力比例。
但也有台湾媒体批评台湾“独宠半导体产业”，因为台积电外资持股高达约73%，更多赢利照旧外资，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月报道直接批评其高耗电：
台积电这座 “护台神山”背后的阴影，是谁在承受？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，又造成哪些排挤？
台积电固然也在寻找解决方案，比如推动低碳制造、使用再生能源、提升能源使用服从等，2021年再生能源总发电量达到 488 万度，以应对高耗能的责怪。
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，使用期限为二十年。此外台积电也在积极建立太阳能电站，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，但批评者依然以为，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。
但台湾绿电并不敷，对于缓解先辈制程的能耗，仍然是杯水车薪。
台积电2020年企业社会责任报告就不得不认可：由于主要营运生产所在地位于台湾，再生能源仍未达到欧美地区之供应充足度，因此在产能一连发展下，即便执行举世同业最佳的节能减碳标准、达成单位产物碳排量下降目的，仍无法抑制整体碳排量的一连攀升。
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整体耗电也更多。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，当年能源消耗总量为2887.69百万千瓦时，也就是约28.88亿度电；能源消耗强度为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，增加了11.24%。
据台积电2021年ESG报告，当年单位产物用电量为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差异，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。不过，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年晶圆月均产量达到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。
不过，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，中芯国际的整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其中一个环节，还有更多环节与工序的耗电。从原材推测成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、沉积系统、氧化炉、蚀刻机等，此外还有空气净化、超纯水制备、超清洁厂房环境的维系等。
固然，近年来，为了低落能耗，中芯国际也接纳了冰机优化节能、新风系统节能、蒸汽节能等措施。比如，中芯国际深圳厂对冰水系统的 11 套冰机加装节能控制系统及变频器、传感器等控制部件，优化冰机系统的运行服从和工况，节能改造后，每年用电量低落8.5-10.2%，实现节能约 296.87万度电。
不过，几百万度电，对于偌大的半导体制造而言，也执偾聊胜于无。这些复杂半导体制造工艺中的每一步，仍然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加，并不意味着成熟制程整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，都可能扰乱晶圆制造产线的运营并导致晶圆良率低落、批次浪费。
半导体制程越先辈，能耗越高的趋势也是不可制止的。目前来看，尽管可以从多个环节举行能耗优化，但可以大概淘汰的耗电照旧有限的。
台北科技大学干净技能中心曾使用本身开发的能源模拟（FES）软件，依据台湾半导体制造厂房的需求和装备类型举行五项模拟分析，以估计每种环境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举行。最后发现，每种环境的节电率分别为 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，经过如此细致的优化，最多也只能节省出779.6万度电。
固然，节省一分钱也是钱。麦肯锡报告“Bringing energy efficiency to the fab”就指出，晶圆厂往往更考虑厂房的可靠性、稳固性，而对电力消耗优化不到位，一些晶圆厂以致整个清洁厂房只有一个功率表，尽管其中包含数十个功率麋集型的半导体装备，压缩机和空气过滤装备常常会太过运行，而制冷机也会太过冷却空调系统的水。
一样寻常来说，一座晶圆厂每年都会消耗数亿度电，而且无论晶圆产量多少，都必须维持厂房的清洁环境，除非关闭产线。那么，当芯片需求下降、晶圆产能低落时，每片晶圆的平均能源成本就会上升，并侵蚀晶圆制造方的利润率。
对于台积电来说，如今不仅面对着芯片周期下行，也面对着电价上涨的难题。
今年6月底，台“经济主管部分”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，其中工业范畴高压、特高压电力用户电费上调15%；用电超过1000度以上的住宅用户，超出千度部分调涨9%，受影响住宅用户约36万户；平均电价由每度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。
不过，对于低落晶圆厂能源消耗，麦肯锡在研究报告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。麦肯锡以为，相比于许多晶圆厂电力消耗每年达数千万美元，但却只用一名兼职工程师负责能源管理；更发起晶圆厂创建一个由至少一名司理、三至五名系统专家和其他兼职专家构成的能源管理团队，寻找解决方案，负责能源服从的进步。
但现实上，“加人”不如“加装备”。比如将空调机组更换为更高效的机型，通过能量回收装备冷却器产生的余热可用于加热水或工厂本身，增加更多传感器搜集功率变化信息等。半导体装备商业同样可以大概提供节能支持，如应用材料就宣称本身提供的iSystem 控制器等装备，可以大概允许用户在产线差异环节差异使用率下，将预期空闲时间传达给工艺装备实现“空闲模式”以低落能耗，电力运行成本最多可以低落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，台积电财务长黄仁昭表现，此前预估的2022年400亿至440亿美元的资笔僻出目的，目前则降至约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固，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，要将全年资笔僻出从约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现，公司未来五到七年有中芯深圳、中芯京城、中芯东方、中芯西青总共约34万片12英寸新产线的建立项目，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纳米以致更低，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固的电力供应。
2021年，中国发电量达到81121.8亿千瓦时 ，而美国为41155.4亿千瓦时。中国险些是美国的两倍。
半导体产业固然必要光刻机，必要各种半导体装备、材料，但同样必要庞大的电力供应。不管是否绿电，条件都必须稳固、可靠，且具备价格优势。究竟，电力消耗占晶圆制造厂运营成本的比例正越来越高。一个更能稳固供应的电力底子办法，也是未来半导体产业竞争背后不可或缺的力气。
参考文献：
1. 唐筱恬 林上祚 李佳穎，《荣光的代价：抢水、抢电、抢土地，当局独宠半导体产业》，新消息
2.《台积电企业社会责任报告书“这段话” 背后竟隐含著台湾低碳底子办法不足、恐难吸引外资的逆境》，今周刊
3. Bringing energy efficiency to the fab，McKinsey
4. Lin, Tee, et al. “ENERGY CONSUMPTION REDUCTION OF A HIGH-TECH FAB IN TAIWAN.” The Journal of Energy and Development, vol. 46, no. 1/2, 2020, pp. 195–218. |
