鎖死半導體發(fā)展的，也許不是光刻機而是電費

全世界最強大的電網(wǎng)

也是半導體突圍的安全網(wǎng)。

誰都沒有想到，鎖死人類物理學發(fā)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(zhì)子加速到接近光速并進行對撞“粉碎”，從而模擬大爆炸后不足十億分之一秒的情況，并且可以驗證空間是否隱藏著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(shè)備。

但據(jù)報道，面對歐洲愈演愈烈的電力危機，歐洲核研究組織為了省電，就決定在11月28日關(guān)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(fā)布聲明稱，2023年大型強子對撞機的運行時間將再削減20%。

LHC位于約20萬人口的日內(nèi)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，相當于日內(nèi)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，在芯片制造面前只能算小巫見大巫。

據(jù)統(tǒng)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。

越是制程先進、能耗更低的芯片，其制造過程卻越來越耗能。這一悖論如何破解？先進制程越來越耗電，對作為半導體產(chǎn)業(yè)追趕者的中國又意味著什么？

臺積電的煩惱

作為全球最大的芯片制造企業(yè)，臺積電也擁有全球最多的EUV光刻機。

據(jù)臺灣科技媒體《數(shù)位時代》報道，目前臺積電EUV設(shè)備已超過80臺，預(yù)估到2022年底可達到84臺。這一數(shù)量，還是遙遙領(lǐng)先于緊隨其后的三星——三星電子預(yù)估到今年底可望達到51臺EUV，不過其中很大比例的EUV必須供DRAM廠使用，且三星在3納米制程市占率較低，EUV的產(chǎn)能利用率也不如臺積電。

據(jù)了解，臺積電以占行業(yè)50%的EUV數(shù)量，制造了60%的EUV晶圓。而且，制程越先進，臺積電市占率也越高。據(jù)集邦預(yù)測，2022年四季度，臺積電將貢獻73%的EUV先進制程產(chǎn)能。“臺經(jīng)院”產(chǎn)經(jīng)資料庫總監(jiān)劉佩真還指出，今年9月臺積電3納米步入量產(chǎn)階段后，在全球3納米制程已經(jīng)獲得將近98%的市占率。臺積電“吃干抹凈”之后，三星的3納米制程才吃下剩余的2%市場。

EUV數(shù)量最多，產(chǎn)能最足，市占率最高，“多管齊下”，臺積電的用電也最高。

而EUV光刻機之所以耗電，主要是由于EUV光源的能源轉(zhuǎn)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(tǒng)ArF光刻機的10倍。那些沒被轉(zhuǎn)換成極紫外光的99.98%電能，大都會轉(zhuǎn)換成熱量耗散而去，這又需要耗費大量電力去散熱。

據(jù)統(tǒng)計，一臺EUV一年耗電量可達到1000萬千瓦時，那么單84臺EUV設(shè)備就是8.4億千瓦時，而光刻也只是臺積電先進制程晶圓制造成百上千的環(huán)節(jié)中，最為耗電的一個部分。此外還有成熟制程的數(shù)百臺DUV及一系列配套設(shè)備，才使得臺積電年總耗電量奔著200億度甚至更多而去。

據(jù)臺積電社會企業(yè)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，本文以臺積電公布數(shù)據(jù)為準），占據(jù)整個臺灣5.9%的用電總量；2021年能源消耗量為191.9億度，約占臺灣的7.2%。預(yù)計2025年占比會升至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(jīng)接近1500萬噸。

如此高的耗電量，是否會影響臺灣其他行業(yè)的發(fā)展？

如果拿臺積電營收對比臺灣地區(qū)GDP，其2021年營收568億美元，當年臺灣地區(qū)GDP約7727億美元，臺積電營收約占臺灣GDP的7.35%。但這僅是營收，還有考慮其帶動影響。臺積電就統(tǒng)計，其上下游供應(yīng)鏈、客戶數(shù)百家，帶動產(chǎn)值倍數(shù)達2.89倍；創(chuàng)造就業(yè)倍數(shù)達8.12倍。

再加上臺灣地區(qū)百萬股東每年的交易稅、股利稅，臺積電幾萬名員工（臺灣地區(qū)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(qū)帶來的貢獻比例肯定大于其消耗的電力比例。

但也有臺灣媒體批評臺灣“獨寵半導體產(chǎn)業(yè)”，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5萬多員工也僅占臺灣就業(yè)人口1146萬人的0.4％?！缎滦侣劇?022年5月報道直接批評其高耗電：

臺積電這座 “護臺神山”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(yè)，又造成哪些排擠？

臺積電當然也在尋找解決方案，比如推動低碳制造、使用再生能源、提升能源使用效率等，2021年再生能源總發(fā)電量達到 488 萬度，以應(yīng)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(xié)議，使用期限為二十年。此外臺積電也在積極建設(shè)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，相比于經(jīng)常加班的臺積電產(chǎn)線，“太陽不會加班”。 

盡管臺積電包括5納米、3納米廠以及新竹研發(fā)中心均承諾采用20%綠電，預(yù)估綠電需求約15億度；2019年還宣布為大客戶蘋果制造的芯片將100%改采綠電生產(chǎn)。

但臺灣綠電并不夠，對于緩解先進制程的能耗，仍然是杯水車薪。

臺積電2020年企業(yè)社會責任報告就不得不承認：由于主要營運生產(chǎn)所在地位于臺灣，再生能源仍未達到歐美地區(qū)之供應(yīng)充足度，因此在產(chǎn)能持續(xù)成長下，即便執(zhí)行全球同業(yè)最佳的節(jié)能減碳標準、達成單位產(chǎn)品碳排量下降目標，仍無法抑制整體碳排量的持續(xù)攀升。

成熟制程是否有著同樣的能耗煩惱

臺積電畢竟以先進制程為主，EUV能耗十倍于DUV，晶圓制造眾多環(huán)節(jié)下來整體耗電也更多。那么，對于依然以成熟制程為主，提供0.35 微米至14納米多種技術(shù)節(jié)點代工，還沒有EUV光刻機的中芯國際來說，能耗是否是一個問題呢？

據(jù)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(shù)，相比2020年的11.48千瓦時/8吋晶圓當量-光罩數(shù)，增加了11.24%。

據(jù)臺積電2021年ESG報告，當年單位產(chǎn)品用電量為25.9千瓦時/12吋晶圓當量-光罩數(shù)，相比2020年的26.7千瓦時/12吋晶圓當量-光罩數(shù)略有下降。盡管8吋和12吋晶圓對應(yīng)的芯片產(chǎn)出不同，不好直接對比，但也可以看出先進制程單晶圓能耗是更高的。

而2020年至2021年，臺積電分別用相當于中芯國際7.78倍、6.64倍的能耗，均做出了十倍出頭的營收。不過，先進制程晶圓制造耗電更高，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(guī)模，先進制程晶圓由于代工價格更高，數(shù)量上肯定少于成熟制程晶圓。因此臺積電的晶圓產(chǎn)量肯定不會和營收那樣是中芯國際的十倍。

據(jù)Knometa Research統(tǒng)計，臺積電2021年晶圓月均產(chǎn)量達到280萬片，占據(jù)全球13%的市場，次于月均產(chǎn)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(chǎn)量達675萬4788片，月均產(chǎn)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，臺積電用接近七倍于中芯國際的耗電，生產(chǎn)出五倍的晶圓，實現(xiàn)10.44倍的營收。

不過，作為成熟制程為主的晶圓制造企業(yè)，單以耗電與晶圓的倍數(shù)關(guān)系上，中芯國際的整體能耗也僅是略低于先進制程為主的臺積電。

畢竟，光刻機的能耗只是晶圓制造的其中一個環(huán)節(jié)，還有更多環(huán)節(jié)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(shè)備包括離子注入機、光刻步進機、沉積系統(tǒng)、氧化爐、蝕刻機等，此外還有空氣凈化、超純水制備、超潔凈廠房環(huán)境的維系等。

當然，近年來，為了降低能耗，中芯國際也采取了冰機優(yōu)化節(jié)能、新風系統(tǒng)節(jié)能、蒸汽節(jié)能等措施。比如，中芯國際深圳廠對冰水系統(tǒng)的 11 套冰機加裝節(jié)能控制系統(tǒng)及變頻器、傳感器等控制部件，優(yōu)化冰機系統(tǒng)的運行效率和工況，節(jié)能改造后，每年用電量降低8.5-10.2%，實現(xiàn)節(jié)能約 296.87萬度電。

不過，幾百萬度電，對于偌大的半導體制造而言，也只是聊勝于無。這些復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，是不分成熟制程與先進制程的。EUV光刻機一個環(huán)節(jié)所帶來的十倍能耗增加，并不意味著成熟制程整體環(huán)節(jié)就能節(jié)省更多電。

成熟制程，同樣有著能耗煩惱。

電力也是半導體產(chǎn)業(yè)的競爭力

半導體制造的每一個環(huán)節(jié)，都需要高質(zhì)量、高可靠的電源。因為任何電力供應(yīng)問題，例如停電或電壓驟降，都可能擾亂晶圓制造產(chǎn)線的運營并導致晶圓良率降低、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，盡管可以從多個環(huán)節(jié)進行能耗優(yōu)化，但能夠減少的耗電還是有限的。

臺北科技大學清潔技術(shù)中心曾利用自己開發(fā)的能源模擬（FES）軟件，依據(jù)臺灣半導體制造廠房的需求和設(shè)備類型進行五項模擬分析，以估計每種情況下可以節(jié)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(diào)整集合起來同時進行。最后發(fā)現(xiàn)，每種情況的節(jié)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）。

也就是說，一座原本年耗電可達數(shù)億度電的半導體廠房，經(jīng)過如此細致的優(yōu)化，最多也只能節(jié)省出779.6萬度電。

當然，節(jié)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(wěn)定性，而對電力消耗優(yōu)化不到位，一些晶圓廠甚至整個潔凈廠房只有一個功率表，盡管其中包含數(shù)十個功率密集型的半導體設(shè)備，壓縮機和空氣過濾設(shè)備經(jīng)常會過度運行，而制冷機也會過度冷卻空調(diào)系統(tǒng)的水。

一般來說，一座晶圓廠每年都會消耗數(shù)億度電，而且無論晶圓產(chǎn)量多少，都必須維持廠房的潔凈環(huán)境，除非關(guān)閉產(chǎn)線。那么，當芯片需求下降、晶圓產(chǎn)能降低時，每片晶圓的平均能源成本就會上升，并侵蝕晶圓制造方的利潤率。

對于臺積電來說，現(xiàn)在不僅面臨著芯片周期下行，也面臨著電價上漲的難題。

今年6月底，臺“經(jīng)濟主管部門”以燃料價格上漲為由，宣布自7月1日起對用電大戶調(diào)漲電價，其中工業(yè)領(lǐng)域高壓、特高壓電力用戶電費上調(diào)15%；用電超過1000度以上的住宅用戶，超出千度部分調(diào)漲9%，受影響住宅用戶約36萬戶；平均電價由每度2.6253元新臺幣調(diào)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(guān)。

不過，對于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(yè)的能源管理團隊。麥肯錫認為，相比于許多晶圓廠電力消耗每年達數(shù)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(jīng)理、三至五名系統(tǒng)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(shè)備”。比如將空調(diào)機組更換為更高效的機型，通過能量回收設(shè)備冷卻器產(chǎn)生的余熱可用于加熱水或工廠本身，增加更多傳感器搜集功率變化信息等。半導體設(shè)備商業(yè)同樣能夠提供節(jié)能支持，如應(yīng)用材料就宣稱自己提供的iSystem 控制器等設(shè)備，能夠允許用戶在產(chǎn)線不同環(huán)節(jié)不同利用率下，將預(yù)期空閑時間傳達給工藝設(shè)備實現(xiàn)“空閑模式”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(jīng)不亞于煤化工、石油化工等重工業(yè)。

10月13日，臺積電財務(wù)長黃仁昭表示，此前預(yù)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(guān)，但臺灣電力供應(yīng)不穩(wěn)定，也會成為影響臺積電決策的重要因素。

而中芯國際11月則宣布，要將全年資本支出從約320.5億元上調(diào)為456.0億元，上調(diào)合計136億元，主要是為了支付長交期設(shè)備提前下單的預(yù)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(chǎn)線的建設(shè)項目，這些晶圓廠都專注于28納米及以上的工藝制造。

從28納米到14納米，再到7納米、5納米甚至更低，中芯國際還面臨著眾多挑戰(zhàn)。大陸的晶圓廠也許難以獲得先進光刻機，但相比臺灣卻有著更加穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

2021年，中國發(fā)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(chǎn)業(yè)當然需要光刻機，需要各種半導體設(shè)備、材料，但同樣需要龐大的電力供應(yīng)。不管是否綠電，前提都必須穩(wěn)定、可靠，且具備價格優(yōu)勢。畢竟，電力消耗占晶圓制造廠運營成本的比例正越來越高。一個更能穩(wěn)定供應(yīng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施，也是未來半導體產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)》，新新聞

2.《臺積電企業(yè)社會責任報告書“這段話” 背后竟隱含著臺灣低碳基礎(chǔ)設(shè)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.