本文來自微信公眾號“半導體行業(yè)觀察”，來源 | elpais。
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2024年上半年是美國芯片行業(yè)領先公司Nvidia的巔峰。該公司的全球半導體出貨量增長了兩倍，凸顯了我們時代的一個普遍事實：世界渴望這種微小的技術。然而，這些半導體的生產面臨著一個重大挑戰(zhàn)：制造它們所需的電能需求不斷增長。專家警告說，滿足微處理器不斷增長的市場需求可能會阻礙綠色轉型。用于打印尖端芯片的復雜而精密的設備消耗了大量電能，而電能對于人工智能和數據中心等先進技術至關重要。
具體來說，微處理器（計算機、洗衣機和手機中常見的微型矩形板）是使用復雜的極紫外光刻(EUV)機器制造的。此過程涉及將芯片的基礎材料硅晶片浸泡在人眼不可見的光波中。
據彭博社報道，這些專業(yè)設備的最新型號耗電量約為1兆瓦，相當于西班牙家庭四個月的平均能源消耗量。十年前，美國咨詢公司麥肯錫警告稱，一家典型的半導體制造廠每年消耗的能源相當于約5萬戶家庭的能源消耗量。該公司指出，這些“巨型工廠”的用電量比汽車廠和煉油廠的總用電量還要多。
納米技術專家JoséLuis Costa承認，目前大多數地區(qū)并不認為這種情況是個問題，“因為這是一個具有戰(zhàn)略意義的關鍵領域，能源消耗不會受到任何阻礙。”除了消費電子產品外，軍工、航天和汽車行業(yè)也將芯片作為其產品開發(fā)中不可或缺的一部分。根據世界半導體貿易統計，今年年初全球微處理器銷售額同比增長16.3%，達到397億美元，預計2024年將再增長13.1%。
這項技術制造的關鍵參與者是中國臺灣，領先的芯片制造商臺灣半導體制造公司（TSMC）的所在地。據估計，全球60%至70%的芯片產量源自這個東亞小島。彭博社報道稱，由于運行光刻機需要大量電力，預計臺積電的能源消耗量將很快超過斯里蘭卡等國家（2100萬居民）的總人口。2020年，該公司約占臺灣總能源消耗的6%，預計到2025年這一數字將上升到12.5%。
問題在于，臺灣半導體行業(yè)嚴重依賴化石燃料，據智庫News Lines Institute的數據，臺灣80%以上的能源來自煤炭和天然氣。為了解決這個問題，臺灣當局在2016年制定了目標，到2025年，通過開發(fā)太陽能和海上風電，實現20%的電力來自可再生能源。
然而，這一目標似乎越來越難以實現。7月份發(fā)布的最新能源分析顯示，預計到2021年底，只有6%的能源來自可再生能源，這促使官員將目標下調至15%。正如桃園國立中央大學管理學教授梁啟元在彭博社的一份報告中指出的那樣，除非芯片制造商開始建設自己的電力供應廠，否則臺灣將缺乏支持其半導體產業(yè)所需的電力能力。
其他擁有悠久半導體制造歷史的國家也面臨著類似的困境。在韓國，科技巨頭三星運營著六家半導體制造廠，占2021年該國能源費用的3%。然而，為了與臺積電直接競爭為外部客戶制造芯片，三星計劃擴大其EUV機器的數量。新設備的涌入對韓國的能源框架構成了重大挑戰(zhàn)，因為韓國的能源框架也嚴重依賴煤炭和天然氣。亞洲開發(fā)銀行的數據顯示，截至2018年，該國約80%的能源來自這些化石燃料。
“芯片制造過程需要極高的精度和嚴格的控制，這往往會導致對電力和水的巨大需求。此外，半導體制造中使用的許多材料，如硅，都需要密集的、能源密集型的提取和凈化過程。出于這些原因，這種生產模式從長遠來看是不可持續(xù)的，”科斯塔說。
業(yè)界認為，半導體技術的進步正在推動其他領域的可持續(xù)發(fā)展和能源效率的提高。臺灣國際工業(yè)技術戰(zhàn)略研究院認為，臺積電每生產一千瓦電力，全球能源節(jié)約量可達四千瓦。
科斯塔部分同意這種觀點，并指出目前正在研究更可持續(xù)的芯片生產方法。這些方法包括使用光來處理信息或探索量子態(tài)，這些量子態(tài)有望實現高效率，同時顯著降低能耗和環(huán)境影響。例如，佳能已宣布計劃通過納米打印進入光刻機市場（目前由荷蘭公司ASML主導），科斯塔聲稱納米打印可以以極低的成本和能耗實現類似的效果。
芯片行業(yè)的其他參與者，例如英特爾，也在努力使其運營更加綠色和可持續(xù)，盡管程度較小。這家美國公司在可再生能源使用方面已成功超越其亞洲競爭對手，部分原因是其位于亞利桑那州、新墨西哥州和俄勒岡州的工廠可以使用綠色能源。據彭博社報道，英特爾2021年80%的電力來自可再生資源，高于上一年的71%。然而，該媒體還指出，由于制造技術先進，整體用電量正在顯著增加。
為了爭奪這個需要多層次設計和制造的復雜市場的主導地位，一些國家已投入大量資金發(fā)展自己的半導體制造能力，旨在緩解像疫情期間那樣的供應鏈中斷。美國已批準了一項520億美元的計劃，用于建立自己的工廠，而歐盟已撥款490億歐元（530億美元）來吸引外國投資。然而，環(huán)境考慮似乎并不是這兩個地區(qū)的首要任務。“挑戰(zhàn)已經太復雜了；在這種情況下，能源和環(huán)境問題很遺憾是次要的，”科斯塔說。
光刻機的需求持續(xù)激增。彭博情報分析師Masharo Wakasugi預測，唯一一家能夠設計和制造這些機器的公司ASML今年的EUV機器銷量將增加30%，從而導致制造國的能源消耗增加。“作為個人，我們必須意識到我們所處的緊急情況，并要求采取行動。如果我們現在不采取行動，20年后我們將感受到后果，”他警告說。
參考鏈接：
https://english.elpais.com/economy-and-business/2024-10-30/the-dead-end-of-chips-manufacturing-semiconductors-consumes-as-much-energy-as-entire-countries.html
