鎖死半導體發展的，也許不是光刻機而是電費

　　億歐網

　　全世界最強大的電網也是半導體突圍的安全網。

　　文|陳俊一

　　編輯|常亮

　　誰都沒有想到，鎖死人類物理學發展的，不是三體世界的「智子」，而是人類自己的供電能力。

　　大型強子對撞機（LHC）可以將質子加速到接近光速並進行對撞「粉碎」，從而模擬大爆炸后不足十億分之一秒的情況，並且可以驗證空間是否隱藏着額外維度等物理學界的顛覆性問題。是物理學研究必不可少的大型實驗設備。

　　但據報道，面對歐洲愈演愈烈的電力危機，歐洲核研究組織爲了省電，就決定在11月28日關閉大型強子對撞機（LHC），比原本計劃時間早兩周。歐洲核研究組織還發布聲明稱，2023年大型強子對撞機的運行時間將再削減20%。

　　LHC位於約20萬人口的日內瓦城附近，僅開機就需要1.2萬千瓦的功率，運行時功率更可達20萬千瓦以上，相當於日內瓦城耗電量的三分之一，確實費電。

　　但其實，強子對撞機的耗電量，在芯片製造面前只能算小巫見大巫。

　　據統計，2021年深圳全社會用電量達1103.4億千瓦時，其中居民用電約15%，即165.5億度左右。而臺積電2021年耗電191.9億度，足夠深圳約1800萬常住人口一年所需。

　　越是製程先進、能耗更低的芯片，其製造過程卻越來越耗能。這一悖論如何破解？先進製程越來越耗電，對作為半導體產業追趕者的中國又意味着什麼？

　　臺積電的煩惱

　　作為全球最大的芯片製造企業，臺積電也擁有全球最多的EUV光刻機。

　　據臺灣科技媒體《數位時代》報道，目前臺積電EUV設備已超過80台，預估到2022年底可達到84台。這一數量，還是遙遙領先於緊隨其后的三星——三星電子預估到今年底可望達到51台EUV，不過其中很大比例的EUV必須供DRAM廠使用，且三星在3納米制程市佔率較低，EUV的產能利用率也不如臺積電。

　　據瞭解，臺積電以佔行業50%的EUV數量，製造了60%的EUV晶圓。而且，製程越先進，臺積電市佔率也越高。據集邦預測，2022年四季度，臺積電將貢獻73%的EUV先進製程產能。「臺經院」產經資料庫總監劉佩真還指出，今年9月臺積電3納米步入量產階段后，在全球3納米制程已經獲得將近98%的市佔率。臺積電「吃干抹淨」之后，三星的3納米制程才吃下剩余的2%市場。

　　EUV數量最多，產能最足，市佔率最高，「多管齊下」，臺積電的用電也最高。

　　而EUV光刻機之所以耗電，主要是由於EUV光源的能源轉換效率只有 0.02% 左右。輸出功率250瓦的EUV光刻機，需要輸入0.125萬千瓦的電力，耗電量是傳統ArF光刻機的10倍。那些沒被轉換成極紫外光的99.98%電能，大都會轉換成熱量耗散而去，這又需要耗費大量電力去散熱。

　　據統計，一臺EUV一年耗電量可達到1000萬千瓦時，那麼單84台EUV設備就是8.4億千瓦時，而光刻也只是臺積電先進製程晶圓製造成百上千的環節中，最為耗電的一個部分。此外還有成熟製程的數百台DUV及一系列配套設備，才使得臺積電年總耗電量奔着200億度甚至更多而去。

　　據臺積電社會企業責任報告書，2016年，臺積電用電量還只是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，本文以臺積電公佈數據爲準），佔據整個臺灣5.9%的用電總量；2021年能源消耗量為191.9億度，約佔臺灣的7.2%。預計2025年佔比會升至12.5%，也就是約八分之一。高耗能之下，2020年臺積電的碳排放總量已經接近1500萬噸。

　　如此高的耗電量，是否會影響臺灣其他行業的發展？

　　如果拿臺積電營收對比臺灣地區GDP，其2021年營收568億美元，當年臺灣地區GDP約7727億美元，臺積電營收約佔臺灣GDP的7.35%。但這僅是營收，還有考慮其帶動影響。臺積電就統計，其上下游供應鏈、客户數百家，帶動產值倍數達2.89倍；創造就業倍數達8.12倍。

　　再加上臺灣地區百萬股東每年的交易税、股利税，臺積電幾萬名員工（臺灣地區員工平均薪資是臺灣基本工資的四倍）繳交的個人所得稅等，臺積電給臺灣地區帶來的貢獻比例肯定大於其消耗的電力比例。

　　但也有臺灣媒體批評臺灣「獨寵半導體產業」，因為臺積電外資持股高達約73%，更多獲利還是外資，且即使工資再高，臺積電5萬多員工也僅佔臺灣就業人口1146萬人的0.4%。《新新聞》2022年5月報道直接批評其高耗電：

　　臺積電這座 「護台神山」背后的陰影，是誰在承受？在幅員狹小、能源有限的臺灣，為扶植這個高耗電、高耗水量的晶圓工業，又造成哪些排擠？

　　臺積電當然也在尋找解決方案，比如推動低碳製造、使用再生能源、提升能源使用效率等，2021年再生能源總發電量達到 488 萬度，以應對高耗能的指責。

　　2020年，臺積電與沃旭能源簽下了920MW裝機容量的海上風電購買協議，使用期限為二十年。此外臺積電也在積極建設太陽能電站，2021年新增太陽能裝機容量231千瓦，2022年也計劃再擴充200千瓦太陽能裝機容量，但批評者依然認為，相比於經常加班的臺積電產線，「太陽不會加班」。 

　　儘管臺積電包括5納米、3納米廠以及新竹研發中心均承諾採用20%綠電，預估綠電需求約15億度；2019年還宣佈為大客户蘋果製造的芯片將100%改采綠電生產。

　　但臺灣綠電並不夠，對於緩解先進製程的能耗，仍然是杯水車薪。

　　臺積電2020年企業社會責任報告就不得不承認：由於主要營運生產所在地位於臺灣，再生能源仍未達到歐美地區之供應充足度，因此在產能持續成長下，即便執行全球同業最佳的節能減碳標準、達成單位產品碳排量下降目標，仍無法抑制整體碳排量的持續攀升。

　　成熟製程是否有着同樣的能耗煩惱

　　臺積電畢竟以先進製程為主，EUV能耗十倍於DUV，晶圓製造眾多環節下來整體耗電也更多。那麼，對於依然以成熟製程為主，提供0.35 微米至14納米多種技術節點代工，還沒有EUV光刻機的中芯國際來説，能耗是否是一個問題呢？

　　據中芯國際2021年報，當年能源消耗總量為2887.69百萬千瓦時，也就是約28.88億度電；能源消耗強度為12.77千瓦時/8吋晶圓當量-光罩數，相比2020年的11.48千瓦時/8吋晶圓當量-光罩數，增加了11.24%。

　　據臺積電2021年ESG報告，當年單位產品用電量為25.9千瓦時/12吋晶圓當量-光罩數，相比2020年的26.7千瓦時/12吋晶圓當量-光罩數略有下降。儘管8吋和12吋晶圓對應的芯片產出不同，不好直接對比，但也可以看出先進製程單晶圓能耗是更高的。

　　而2020年至2021年，臺積電分別用相當於中芯國際7.78倍、6.64倍的能耗，均做出了十倍出頭的營收。不過，先進製程晶圓製造耗電更高，營收也更高，不好直接對比臺積電與中芯國際的能耗水平。但可以做個估算：同樣的營收規模，先進製程晶圓由於代工價格更高，數量上肯定少於成熟製程晶圓。因此臺積電的晶圓產量肯定不會和營收那樣是中芯國際的十倍。

　　據Knometa Research統計，臺積電2021年晶圓月均產量達到280萬片，佔據全球13%的市場，次於月均產量405萬片晶圓的三星，位居世界第二；2021年中芯國際8英寸約當晶圓總產量達675萬4788片，月均產量56.29萬片僅有臺積電的五分之一，全球份額2.6%。

　　果然，2021年，臺積電用接近七倍於中芯國際的耗電，生產出五倍的晶圓，實現10.44倍的營收。

　　不過，作為成熟製程為主的晶圓製造企業，單以耗電與晶圓的倍數關係上，中芯國際的整體能耗也僅是略低於先進製程為主的臺積電。

　　畢竟，光刻機的能耗只是晶圓製造的其中一個環節，還有更多環節與工序的耗電。從原材料到成品芯片的整個過程通常需要 85 天，包括多達300多道獨立工序，完成這些工序涉及的設備包括離子注入機、光刻步進機、沉積系統、氧化爐、蝕刻機等，此外還有空氣淨化、超純水製備、超潔淨廠房環境的維繫等。

　　當然，近年來，爲了降低能耗，中芯國際也採取了冰機優化節能、新風系統節能、蒸汽節能等措施。比如，中芯國際深圳廠對冰水系統的 11 套冰機加裝節能控制系統及變頻器、傳感器等控制部件，優化冰機系統的運行效率和工況，節能改造后，每年用電量降低8.5-10.2%，實現節能約 296.87萬度電。

　　不過，幾百萬度電，對於偌大的半導體制造而言，也只是聊勝於無。這些複雜半導體制造工藝中的每一步，仍然需要耗費大量的電力以及天然氣等能源。而這，是不分成熟製程與先進製程的。EUV光刻機一個環節所帶來的十倍能耗增加，並不意味着成熟製程整體環節就能節省更多電。

　　成熟製程，同樣有着能耗煩惱。

　　電力也是半導體產業的競爭力

　　半導體制造的每一個環節，都需要高質量、高可靠的電源。因為任何電力供應問題，例如停電或電壓驟降，都可能擾亂晶圓製造產線的運營並導致晶圓良率降低、批次浪費。

　　半導體制程越先進，能耗越高的趨勢也是不可避免的。目前來看，儘管可以從多個環節進行能耗優化，但能夠減少的耗電還是有限的。

　　臺北科技大學清潔技術中心曾利用自己開發的能源模擬（FES）軟件，依據臺灣半導體制造廠房的需求和設備類型進行五項模擬分析，以估計每種情況下可以節省多少能源：（1） 更換 FFU（風扇過濾單元）電機或/和過濾器；（2） 更換新風機組（MAU）風機；（3） 拆除MAU中的加熱盤管；（4）更換離心冷水機；（5）前四項調整集合起來同時進行。最后發現，每種情況的節電率分別為 1.39%（2951.02MWh）、0.25%（520.57MWh）、0.22%（460.93MWh）、1.91%（4044.59）和 3.68%（7796.05MWh）。

　　也就是説，一座原本年耗電可達數億度電的半導體廠房，經過如此細緻的優化，最多也只能節省出779.6萬度電。

　　當然，節省一分錢也是錢。麥肯錫報告「Bringing energy efficiency to the fab」就指出，晶圓廠往往更考慮廠房的可靠性、穩定性，而對電力消耗優化不到位，一些晶圓廠甚至整個潔淨廠房只有一個功率表，儘管其中包含數十個功率密集型的半導體設備，壓縮機和空氣過濾設備經常會過度運行，而製冷機也會過度冷卻空調系統的水。

　　一般來説，一座晶圓廠每年都會消耗數億度電，而且無論晶圓產量多少，都必須維持廠房的潔淨環境，除非關閉產線。那麼，當芯片需求下降、晶圓產能降低時，每片晶圓的平均能源成本就會上升，並侵蝕晶圓製造方的利潤率。

　　對於臺積電來説，現在不僅面臨着芯片周期下行，也面臨着電價上漲的難題。

　　今年6月底，台「經濟主管部門」以燃料價格上漲為由，宣佈自7月1日起對用電大户調漲電價，其中工業領域高壓、特高壓電力用户電費上調15%；用電超過1000度以上的住宅用户，超出千度部分調漲9%，受影響住宅用户約36萬戶；平均電價由每度2.6253元新臺幣調漲到2.8458元新臺幣。

　　前幾天娛樂圈鬧得沸沸揚揚的汪小菲不給大S交電費事件，很多人推測也與臺灣電費上漲有關。

　　不過，對於降低晶圓廠能源消耗，麥肯錫在研究報告中開出的解決方案是「加人」——晶圓廠可以建立專業的能源管理團隊。麥肯錫認為，相比於許多晶圓廠電力消耗每年達數千萬美元，但卻只用一名兼職工程師負責能源管理；更建議晶圓廠建立一個由至少一名經理、三至五名系統專家和其他兼職專家組成的能源管理團隊，尋找解決方案，負責能源效率的提高。

　　但實際上，「加人」不如「加設備」。比如將空調機組更換為更高效的機型，通過能量回收設備冷卻器產生的余熱可用於加熱水或工廠本身，增加更多傳感器蒐集功率變化信息等。半導體設備商業同樣能夠提供節能支持，如應用材料就宣稱自己提供的iSystem 控制器等設備，能夠允許用户在產線不同環節不同利用率下，將預期空閒時間傳達給工藝設備實現「空閒模式」以降低能耗，電力運行成本最多可以降低10%。

　　一座半導體工廠的耗能，已經不亞於煤化工、石油化工等重工業。

　　10月13日，臺積電財務長黃仁昭表示，此前預估的2022年400億至440億美元的資本支出目標，目前則降至約360億美元。這雖然與半導體周期下行有關，但臺灣電力供應不穩定，也會成為影響臺積電決策的重要因素。

　　而中芯國際11月則宣佈，要將全年資本支出從約320.5億元上調為456.0億元，上調合計136億元，主要是爲了支付長交期設備提前下單的預付款。中芯國際還在投資者互動平臺表示，公司未來五到七年有中芯深圳、中芯京城、中芯東方、中芯西青總共約34萬片12英寸新產線的建設項目，這些晶圓廠都專注於28納米及以上的工藝製造。

　　從28納米到14納米，再到7納米、5納米甚至更低，中芯國際還面臨着眾多挑戰。大陸的晶圓廠也許難以獲得先進光刻機，但相比臺灣卻有着更加穩定的電力供應。

　　2021年，中國發電量達到81121.8億千瓦時 ，而美國為41155.4億千瓦時。中國幾乎是美國的兩倍。

　　半導體產業當然需要光刻機，需要各種半導體設備、材料，但同樣需要龐大的電力供應。不管是否綠電，前提都必須穩定、可靠，且具備價格優勢。畢竟，電力消耗佔晶圓製造廠運營成本的比例正越來越高。一個更能穩定供應的電力基礎設施，也是未來半導體產業競爭背后不可或缺的力量。

　　參考文獻：

　　1． 唐筱恬 林上祚 李佳穎，《榮光的代價：搶水、搶電、搶土地，政府獨寵半導體產業》，新新聞

　　2．《臺積電企業社會責任報告書「這段話」　背后竟隱含著臺灣低碳基礎設施不足、恐難吸引外資的窘境》，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． 

　　

責任編輯：梁斌 SF055