锁死半导体发展的,也许不是光刻机而是电费

亿欧

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· 2022.12.01 17:16

全世界最强大的电网也是半导体突围的安全网。

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锁死半导体发展的,也许不是光刻机而是电费

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图片来源@视觉中国

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钛媒体注:本文来源于微信公众号 亿欧网(ID:i-yiou),作者 | 陈俊一,编辑 | 常亮,钛媒体经授权发布。  

谁都没有想到,锁死人类物理学发展的,不是三体世界的“智子”,而是人类自己的供电能力。

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”,从而模拟大爆炸后不足十亿分之一秒的情况,并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验设备。

但据报道,面对欧洲愈演愈烈的电力危机,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削减20%。

LHC位于约20万人口的日内瓦城附近,仅开机就需要1.2万千瓦的功率,运行时功率更可达20万千瓦以上,相当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,在芯片制造面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,足够深圳约1800万常住人口一年所需。

越是制程先进、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?先进制程越来越耗电,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

作为全球最大的芯片制造企业,台积电也拥有全球最多的EUV光刻机。

据台湾科技媒体《数位时代》报道,目前台积电EUV设备已超过80台,预估到2022年底可达到84台。这一数量,还是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的产能利用率也不如台积电。

据了解,台积电以占行业50%的EUV数量,制造了60%的EUV晶圆。而且,制程越先进,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先进制程产能。“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,在全球3纳米制程已经获得将近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数量最多,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,需要输入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,大都会转换成热量耗散而去,这又需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设备就是8.4亿千瓦时,而光刻也只是台积电先进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及一系列配套设备,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,还有考虑其带动影响。台积电就统计,其上下游供应链、客户数百家,带动产值倍数达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基本工资的四倍)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人口1146万人的0.4%。《新新闻》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?在幅员狭小、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?

台积电当然也在寻找解决方案,比如推动低碳制造、使用再生能源、提升能源使用效率等,2021年再生能源总发电量达到 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,使用期限为二十年。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,但批评者依然认为,相比于经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,对于缓解先进制程的能耗,仍然是杯水车薪。

台积电2020年企业社会责任报告就不得不承认: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,因此在产能持续成长下,即便执行全球同业最佳的节能减碳标准、达成单位产品碳排量下降目标,仍无法抑制整体碳排量的持续攀升。

成熟制程是否有着同样的能耗烦恼

台积电毕竟以先进制程为主,EUV能耗十倍于DUV,晶圆制造众多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纳米多种技术节点代工,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,当年单位产品用电量为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,但也可以看出先进制程单晶圆能耗是更高的。

而2020年至2021年,台积电分别用相当于中芯国际7.78倍、6.64倍的能耗,均做出了十倍出头的营收。不过,先进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水平。但可以做个估算:同样的营收规模,先进制程晶圆由于代工价格更高,数量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,占据全球13%的市场,次于月均产量405万片晶圆的三星,位居世界第二;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,全球份额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进制程为主的台积电。

毕竟,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。从原材料到成品芯片的整个过程通常需要 85 天,包括多达300多道独立工序,完成这些工序涉及的设备包括离子注入机、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、超洁净厂房环境的维系等。

当然,近年来,为了降低能耗,中芯国际也采取了冰机优化节能、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效率和工况,节能改造后,每年用电量降低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,也只是聊胜于无。这些复杂半导体制造工艺中的每一步,仍然需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进制程的。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,都需要高质量、高可靠的电源。因为任何电力供应问题,例如停电或电压骤降,都可能扰乱晶圆制造产线的运营并导致晶圆良率降低、批次浪费。

半导体制程越先进,能耗越高的趋势也是不可避免的。目前来看,尽管可以从多个环节进行能耗优化,但能够减少的耗电还是有限的。

台北科技大学清洁技术中心曾利用自己开发的能源模拟(FES)软件,依据台湾半导体制造厂房的需求和设备类型进行五项模拟分析,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。最后发现,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,经过如此细致的优化,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、稳定性,而对电力消耗优化不到位,一些晶圆厂甚至整个洁净厂房只有一个功率表,尽管其中包含数十个功率密集型的半导体设备,压缩机和空气过滤设备经常会过度运行,而制冷机也会过度冷却空调系统的水。

一般来说,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,都必须维持厂房的洁净环境,除非关闭产线。那么,当芯片需求下降、晶圆产能降低时,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,现在不仅面临着芯片周期下行,也面临着电价上涨的难题。

今年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,其中工业领域高压、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,很多人推测也与台湾电费上涨有关。

不过,对于降低晶圆厂能源消耗,麦肯锡在研究报告中开出的解决方案是“加人”——晶圆厂可以建立专业的能源管理团队。麦肯锡认为,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;更建议晶圆厂建立一个由至少一名经理、三至五名系统专家和其他兼职专家组成的能源管理团队,寻找解决方案,负责能源效率的提高。

但实际上,“加人”不如“加设备”。比如将空调机组更换为更高效的机型,通过能量回收设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。半导体设备商业同样能够提供节能支持,如应用材料就宣称自己提供的iSystem 控制器等设备,能够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设备实现“空闲模式”以降低能耗,电力运行成本最多可以降低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示,此前预估的2022年400亿至440亿美元的资本支出目标,目前则降至约360亿美元。这虽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重要因素。

而中芯国际11月则宣布,要将全年资本支出从约320.5亿元上调为456.0亿元,上调合计136亿元,主要是为了支付长交期设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、中芯京城、中芯东方、中芯西青总共约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,中芯国际还面临着众多挑战。大陆的晶圆厂也许难以获得先进光刻机,但相比台湾却有着更加稳定的电力供应。

2021年,中国发电量达到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。

半导体产业当然需要光刻机,需要各种半导体设备、材料,但同样需要庞大的电力供应。不管是否绿电,前提都必须稳定、可靠,且具备价格优势。毕竟,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量。

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  • 钢城英豪
    钢城英豪   回复  总是太天真
    回复

    电子产品,都是降价

    2022.12.02 09:58 via netease
    • 这层楼的评论是个路痴

      2022.12.02 09:18 via netease

Oh! no

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