台湾大停电,这事得EUV光刻机背锅!

近日,比特币价格疯涨已破2.7万大关,创下历史新高!与此同时,“挖矿”业也是高烧不退。此前众多媒体曾曝光过很多“比特币工厂”,一些大的工厂,一小时耗电就高达数万度,令人咂舌。不过,今天我们要介绍的则是另一个耗电大户——芯片代工龙头台积电。


根据《天下杂志》报道,全台湾过去5年用电的增长量,约有1/3都是由台积电贡献的。而随着新一代的可生产5nm工艺的EUV (极紫外光)微影技术的导入,用电量还将会暴增,可达目前主流制程的1.48倍。这也或将导致整个台湾的用电荒!


台积电董事长张忠谋曾在 2 年前准确预言今日的缺电危机。


2015 年底,当时的总统马英九到参观台积电中科厂。当时张忠谋便指出,目前台湾最大的隐忧之一就是缺电,他并指出台湾 2017 年可能面临限电危机,“这对产业影响相当大”。


张忠谋并随后在媒体提问时指出,停电对于台积电的影响“几乎不可估计”。 他说,台积电每个厂都有备用电源,但备用电源的用电成本比起台电提供的电贵 3 倍,如果未来长期限电“这就很累了”。

            用电增幅狂飙 46%

其实,过去一段时间,张忠谋几乎每次公开发言,都会提到“电”。 他到底在担心什么? 答案就藏在今年1月18日,环保署通过的台南科学园区扩建案的环境差异影响评估里头。


因为台积电计划于 2020 年量产的 5 纳米制程,决定放在南科厂,这将导致南科的用水、用电量暴增,大幅超过当初园区的规划量,因此依法得做环境差异影响评估。


其中,用电增幅极为惊人,从原本规划的 152 万千瓦,增加至 222 万千瓦,大幅增加 46%。


根据南科管理局提供给环保署的文件,台积电的 5 纳米制程,估计用电量 72 万千瓦,几乎与南科申请新增的用电功率相当。


这个数字究竟有多大? 根据台电信息,东部用电量约在 40 到 50 万千瓦之间。 也就是说,台积电一个新厂的用电量,将比整个东台湾 56 万人口的用电量还多上不少。


半导体的制造,本来就是高度耗电的过程。 尽管台积电每年花费偌大人力、心力节省电力,但仍改变不了,采用各种先进科技及复杂化学品的晶圆厂、同时也是吃电大怪兽的事实。


根据台积电企业社会责任报告书,2016 年用电量为 88.53 亿度,较前一年增加 11%。


这个用电成长率,与台积电业绩的成长高度符合。 台积电董事长张忠谋在 2009 年重新接任执行长之后,每年法说会都向投资人保证,每年营收都会维持二位数成长,用电量也大致维持相同比例成长。


结果是,过去 5 年间,台积电大举扩产,股价与业绩一再创下新高之际。 总体用电量也增加 102%,整整翻了一倍有余。

               “救世主”技术上线,却是吓死人地耗电

台积电也因此成为台湾用电成长的主要“贡献者”之一。


根据能源局统计数据,同时间全台湾工业部门的用电仅增加 6%。 而这个增加量当中超过一半是台积电贡献。


全台湾用电量,过去 5 年的增加量当中也有 33.6%,差不多三分之一的增加量由台积电贡献。


而且,在可预见的未来,这家世界级半导体天王每年用电增加的幅度,只怕还会加速扩大。 因为半导体制程技术,又到了改朝换代时刻。


台积电预计 2019 年量产的 7 纳米制程的第二版本──7 Plus,部分制程将首度导入极紫外光(EUV)微影制程,这是半导体产业期待已久的“救世主”技术。


目前半导体制程的主流光源是氩氟雷射,波长为 193 纳米,当晶体管尺度已微缩到几十纳米时,就像用一支粗毛笔写蝇头小字一般,生产起来有点力不从心。 这也是近几年,摩尔定律即将告终的声浪不断的主因。


极紫外光的波长仅有 13.5 纳米,业界期望这支“超细字小楷”能够让摩尔定律再延伸至少 10 年。

        洒百亿购入梦幻设备 足以买下两架 A380

今年 1 月,台积电 5 纳米案环境评估通过的同一星期,独家生产 EUV 微影机台的荷兰商ASML(艾司摩尔)在法说会宣布,已接到 EUV 微影机台 6 部订单。 根据《霸荣周刊》(Barron’s)报导,分析师推测,台积电订走了其中 5 台,亦即一口气买下 5.5 亿美元(约 167.8 亿台币)的设备。


这个价钱,几乎可以买下两台世界最大民航机──空巴 A380。


除了昂贵之外,但对台湾而言,EUV 这个「救世主」技术还有一个大缺点──耗电。


有多耗电? 「吓死人! 」台积电 300mm Fabs 厂务处资深处长庄子寿心有余悸地说。 他今年 3 月在一场记者会接受《天下》访问时表示,他希望未来台积电 EUV 用得「愈少愈好」,「因为太贵了,用的电也太大了。 」


ASML至今尚未公布 EUV 机台的耗电功率,但世界第二大内存制造商、南韩的 SK 海力士曾在 2009 年的 EUV Symposium 表示,EUV 的能源转换效率(wall plug efficiency)只有 0.02% 左右。


这个数字现在广为业界引用。 也就是说,当前最先进的 EUV 机台能输出 250 瓦功率的 EUV,需要输入 0.125 万千瓦的电力,这个耗电量是传统氩氟雷射的 10 倍以上。(芯智讯注:换句话来说,就是一台输出功率250W的EUV机器工作24小时天,将会消耗3万度电,这个数字确实吓人。)


“要把光压到这么短的波长,需要很强很强的能量。”庄子寿解释到。


根据芯智讯了解,要想达到 250 瓦功率的 EUV输出,需要将多台13kW CO2激光器串联接通达到所需的功率要求,最终从等离子体源产生所需的EUV光输出。高科技产生极紫外光的过程非常低效,过去被人们比拟为“用核反应堆提供动力”,但也成为了满足半导体工业批量生产要求扩展EUV输出功率的唯一可行方式。

           为什么提升功率这么难?

事实上,过去几年,EUV 机台的输出功率过小,迟迟无法达到量产要求,是这个梦幻技术一再延误上市时机的主要理由。


台积电法说时,负责先进制程的共同执行长刘德音也常被分析师问到,他期待的 EUV 机台功率、量产速度各为多少?


在 5 年前,ASML试验机台的输出功率还仅有 25 瓦。 但就在上个月,该公司达到历史里程碑。 在旧金山的 2017 年 Semicon West 半导体设备展,ASML宣布,该公司已成功地将 EUV 光源功率提升到 250 瓦,晶圆生产速度因此达到每小时 125 片──这都是台积电、英特尔等大客户之前提出的量产最低要求。 现有的微影系统量产速度为每小时 200 片以上。


为什么提升功率这么难?


曾与台积电合作 EUV 光源研究的台大电机系教授黄升龙解释,主要是卡在散热问题。 他在台大的 EUV 实验机组,输出功率仅有毫(千分之一)瓦等级,水冷系统整个架起来就有一个房间这么大。 晶圆厂的 EUV 量产系统输出功率是台大的上万倍,要怎样将热导出去,是很复杂的技术难题。 而且,“冷却系统也得耗上不少电。”黄升龙说。


整个 EUV 技术商用化的过程之艰辛、投入研发金额之巨,堪称半导体业的「登月计划」。 曾有业者估计,整个业界投入的研发经费超过 200 亿美元(约台币 6,100 亿元)。


EUV 称为“极紫外光”,但物理特性与一般常见的紫外光差异极大。


首先,这种光非常容易被吸收,连空气都不透光,所以整个生产环境必须抽成真空;同时,也无法以玻璃透镜折射,必须以硅与钼制成的特殊镀膜反射镜,来修正光的前进方向,而且每一次反射仍会损失 3 成能量,但一台 EUV 机台得经过十几面反射镜,将光从光源一路导到晶圆,最后大概只能剩下不到 2% 的光线。


这也是 EUV 机台如此耗电的主因之一。

      为了确保供电,台积电曾考虑自盖电厂

然而,半导体除了最核心的微影,还有蚀刻、蒸镀、平面化等多道制程。 导入高耗电的 EUV 光源,这道制程对于整厂的用电影响有多大?


这次南科新厂的环差评估过程,台积电主管出示的一张投影片,给了清楚的答案。


若以厂房单位土地规划用电来算,5 纳米制程用电是当今台积电的主流 28 纳米制程的 1.48 倍。 也就是说,如果同样都是 40 公顷的厂区,2020 年量产的 5 纳米制程,总用电会是目前的一倍半。


“而且,5 纳米应该只有一半制程用到 EUV。”一位外资分析师说。 他表示,由于 EUV 技术极为昂贵,台积电仍只有在部分较难的制程才采用新技术。 但到了在下一个世代,已经逼近摩尔定律极限的 3 纳米制程,EUV 采用比例就会大幅增加,用电量会进一步暴增。


去年 6 月,行政院长林全首度透露,台积电有意自盖电厂。 这位分析师表示,当时台积电就是担心大量导入 EUV 光源的 5 纳米制程,南科电力系统无法负荷,直到台电出具供电保证,才打消念头。


一位台积电前主管表示,台积电的企业文化是高度专注本业,像自盖电厂这类事,“过去根本连想都不会想,会去考虑这件事,就表示缺电非常严重”。


但接下来更耗电的的 3 纳米制程,便传出台积电有意设厂美国,除了土地与环评,电力稳定度也是考虑因素之一。


在第二季法说会上,台积电共同执行长刘德音表示,3 纳米的选址决定明年上半年将会正式决定,目前仍是以台湾为优先。


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