锁死半导体发展的，也许不是光刻机而是电费

　　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。
　　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，政府独宠半导体产业》，新新闻
　　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基础设施不足、恐难吸引外资的窘境》，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.