3nm制程費(fèi)錢更費(fèi)電，一年吃下70億度

日前有媒體報(bào)道稱，臺(tái)積電已經(jīng)成功開發(fā)了2nm工藝，而2nm工廠預(yù)計(jì)將落腳于新竹科學(xué)園區(qū)寶山園區(qū)，且臺(tái)積電也持續(xù)積極布局2nm以下的先進(jìn)制程，傳聞可能會(huì)在高雄設(shè)廠。至于2nm的進(jìn)度，消息稱臺(tái)積電將在2023年上半年進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)，2024年開始批量生產(chǎn)。

不過，臺(tái)積電對(duì)此消息回應(yīng)稱，目前已投入2nm制程技術(shù)研發(fā)，不過，尚無具體量產(chǎn)時(shí)間。

臺(tái)積電過去約每2年推進(jìn)一個(gè)世代制程技術(shù)，今年下半年5nm制程大量生產(chǎn)，3nm預(yù)計(jì)2022 年下半年量產(chǎn)（資料顯示，臺(tái)積電3nm工藝比5nm工藝的晶體管密度高70％，性能提高15％，功耗降低30％）。因此，外界推測，臺(tái)積電2nm大約會(huì)在2025 年之前量產(chǎn)。

與此同時(shí)，根據(jù)中國臺(tái)灣地區(qū)經(jīng)濟(jì)部能源局公告顯示，2022年到2023年應(yīng)備總供電容量增加近100萬千瓦，2024年到2025年進(jìn)一步大增257.6萬千瓦。

由于臺(tái)積電是臺(tái)灣的用電大戶，從臺(tái)灣供電容量的增加幅度來看，外界猜測，臺(tái)積電2nm制程有望于2025 年前量產(chǎn)，與臺(tái)灣用電負(fù)載激增時(shí)間吻合。

臺(tái)積電：臺(tái)灣最大的耗電大戶

根據(jù)世界能源署統(tǒng)計(jì)，2012年臺(tái)灣人均年耗電量已經(jīng)達(dá)到約10800千瓦時(shí)，超過日本、韓國，成為亞洲非產(chǎn)油國家和地區(qū)人均耗電量之最。而2014年中國大陸的人均年耗電量才4740千瓦時(shí)，不到臺(tái)灣地區(qū)2012年的一半。

不過以上數(shù)據(jù)可能與臺(tái)灣公布數(shù)據(jù)存在一些出入。根據(jù)臺(tái)電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2012年民生用電售電量576.45億度，工業(yè)用電1176.48億度。截至2012年底，臺(tái)灣人口約2331.58萬人。以此數(shù)據(jù)來估算，臺(tái)灣的人均年耗電量約為7518度。

根據(jù)電公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，中國臺(tái)灣地區(qū)2018年全年用電量達(dá)2191億度。而2018年底，臺(tái)灣戶籍登記人口則為2358.9萬人。按照此數(shù)據(jù)來計(jì)算，2018年，臺(tái)灣人均年耗電量已經(jīng)超過了9288千萬時(shí)，遠(yuǎn)超冰島等人均耗電量排名靠前的國家。

△根據(jù)美國中央情報(bào)局2016年的數(shù)據(jù)顯示，雖然中國電力產(chǎn)量居世界首位，但人均能源消耗量居世界第63位。而人均耗電量最多的國家則是冰島，達(dá)到了5777千瓦時(shí)。

臺(tái)灣地區(qū)人均年耗電量如此之高的關(guān)鍵原因則是，臺(tái)灣龐大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)消耗了大量的電能，導(dǎo)致臺(tái)灣的人均年耗電量“被平均”了。

在臺(tái)灣半導(dǎo)體廠商當(dāng)中，臺(tái)積電一直都是最大的用電大戶，幾年之前，臺(tái)積電的用電量就占據(jù)了全臺(tái)灣用電量的5%以上。

根據(jù)臺(tái)積電企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告書，2016年臺(tái)積電用電量就已高達(dá)88.53 億度，較前2015年增加了11％。當(dāng)時(shí)臺(tái)積電僅在竹科的Fab耗電功率已經(jīng)超過72萬千瓦。

2019年，包括中國臺(tái)灣廠區(qū)、WaferTech、臺(tái)積電（中國）、臺(tái)積電（南京）、采鈺公司，臺(tái)積電全球能源消耗量為143.3億度，比五年前增加了54.12億度，近五年每年平均年增長率12.5%。資料顯示，過去五年，全臺(tái)灣增長的電量，其中1/3都被臺(tái)積電給消耗了。

先進(jìn)制程產(chǎn)線最為耗電：一臺(tái)EUV***，一天耗電3萬度？3nm工廠年耗電量將達(dá)70億度

臺(tái)積電造的每一顆芯片需要經(jīng)過數(shù)千道工序才能完工，而這其中需要利用大量的半導(dǎo)體設(shè)備，并一直維持恒溫、高壓等各種復(fù)雜環(huán)境，這一切都需要電，造的芯片越多、制程越先進(jìn)，用的電就越多。

數(shù)據(jù)顯示，先進(jìn)制程機(jī)臺(tái)用電量占臺(tái)積電公司能源使用50%以上，同時(shí)考慮先進(jìn)制程機(jī)臺(tái)數(shù)量逐年增加，臺(tái)積電對(duì)于電能的消耗將進(jìn)一步快速增長。

由于7nm以下的先進(jìn)工藝制程必須要使用EUV***，而EUV***的大量使用將會(huì)對(duì)臺(tái)灣的供電能力提出巨大挑戰(zhàn)。

SK 海力士此前曾表示，“EUV 的能源轉(zhuǎn)換效率（wall plug efficiency）只有 0.02% 左右?！倍斐赊D(zhuǎn)換率低的一大原因是，極紫外光本身的損耗過大。

“極紫外光物理特性與一般常見的紫外光差異極大。這種光非常容易被吸收，連空氣都不透光，所以整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境必須抽成真空；同時(shí)，也無法以玻璃透鏡折射，必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進(jìn)方向，而且每一次反射仍會(huì)損失 3 成能量，但一臺(tái) EUV 機(jī)臺(tái)得經(jīng)過十幾面反射鏡，將光從光源一路導(dǎo)到晶圓，最后大概只能剩下不到 2% 的光線?！边@也是 EUV 機(jī)臺(tái)如此耗電的主因之一。

如果按照前面的EUV能源轉(zhuǎn)換效率只有0.02% 來計(jì)算，目前先進(jìn)的能輸出 250 瓦功率的 EUV的機(jī)臺(tái)，需要輸入0.125萬千瓦的電力才能達(dá)到，這個(gè)耗電量是傳統(tǒng)氬氟雷射的 10 倍以上。

換句話來說，就是一臺(tái)輸出功率250W的EUV機(jī)器工作一天，將會(huì)消耗3萬度電，這個(gè)數(shù)字確實(shí)嚇人。

根據(jù)了解，要想達(dá)到 250 瓦功率的 EUV輸出，需要將多臺(tái)13kW CO2激光器串聯(lián)接通達(dá)到所需的功率要求，最終從等離子體源產(chǎn)生所需的EUV光輸出。

高科技產(chǎn)生極紫外光的過程非常低效，過去被人們比擬為“用核反應(yīng)堆提供動(dòng)力”，但也成為了滿足半導(dǎo)體工業(yè)批量生產(chǎn)要求擴(kuò)展EUV輸出功率的唯一可行方式。

另外需要指出的是，如此大的耗電量也不可避免的帶來了很大的發(fā)熱量，因此需要部署相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，而這也將非常的耗電。

根據(jù)今年7月臺(tái)灣媒體的報(bào)道稱，隨著臺(tái)積電5nm的大規(guī)模量產(chǎn)，臺(tái)積電今年的單位產(chǎn)品用電量相比去年上升了17.9%，而該公司擬定的目標(biāo)則為降低11.5%。臺(tái)媒稱，以執(zhí)行力著稱的臺(tái)積電管理團(tuán)隊(duì)，如此大幅落后設(shè)定目標(biāo)，是極罕見的事。

臺(tái)積電對(duì)此解釋稱，隨著新制程技術(shù)與制程復(fù)雜度增加，新制程機(jī)臺(tái)用電量上升，導(dǎo)致10nm以下制程產(chǎn)品用電量較16nm以上的制程倍增。

有分析稱，極可能是EUV導(dǎo)入的速度與量產(chǎn)之后的耗電量超乎預(yù)期。

根據(jù)預(yù)計(jì)，一個(gè)7nm的EUV產(chǎn)線可能只需要1臺(tái)ASML EUV***NXE 3400B即可，但是到了3nm制程產(chǎn)線，如果繼續(xù)用NXE 3400B，就可能需要4臺(tái)才能實(shí)現(xiàn)，耗電量將更為驚人。

不過，ASML也正在提升***的效率，比如已推出的改進(jìn)的NXE:3400C的產(chǎn)能從之前的125WPH（每小時(shí)處理晶圓數(shù)）提升到了175WPH，同時(shí)還將推出針對(duì)3nm及以下制程的EXE:5000系列EUV***。希望屆時(shí)新的EUV***能夠進(jìn)一步提升能效比。但是，單機(jī)的能耗恐怕難以實(shí)現(xiàn)大幅的降低。

根據(jù)之前的預(yù)測，臺(tái)積電3nm半導(dǎo)體制造廠開啟后，預(yù)計(jì)年耗電量將達(dá)到70億度。而等到2nm制程Fab的量產(chǎn)，其耗電量必然將再度上升到一個(gè)新的臺(tái)階，未來臺(tái)積電的用電量將有可能超過臺(tái)灣總電量的10%。

“缺電”或成臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展掣肘

需要指出的是，由于臺(tái)灣的煤炭、石油、天然氣、水利資源都比較匱乏，這也導(dǎo)致了臺(tái)灣所需的能源99%需要靠進(jìn)口。更為關(guān)鍵的是，在2011年日本大地震導(dǎo)致日本福島第一核電站發(fā)生泄露之后，臺(tái)灣就開始逐步“去核化”，這也進(jìn)一步加重了臺(tái)灣的能源危機(jī)。

當(dāng)時(shí)的民進(jìn)黨主席蔡英文為了獲得支持率，就拋出了“2025非核家園計(jì)劃”，強(qiáng)調(diào)如果贏得“總統(tǒng)”大選，將最終在2025年完全停止核能發(fā)電。蔡英文當(dāng)選之后，2017年2月，臺(tái)灣地區(qū)立法機(jī)構(gòu)正式通過的相關(guān)條文明確，核能發(fā)電設(shè)備應(yīng)于2025年以前全部停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)蔡英文提出的“2025非核家園”目標(biāo)。

按照“2025非核家園”的規(guī)劃，到2025年臺(tái)灣天然氣發(fā)電占總發(fā)電比例的50%，燃煤30%，綠色能源20%。而根據(jù)臺(tái)電所發(fā)布的報(bào)告顯示，2016年臺(tái)電系統(tǒng)發(fā)、購電量為2258億度，其中火力發(fā)電量占比達(dá)79.9%，再生能源占比為5.1%，抽蓄水力1.5%，核能為13.5%。而2016年臺(tái)電備用容量率僅10.4%。

考慮到未來臺(tái)灣用電的增長，要在完全退出核能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)2025年“2025非核家園”的規(guī)劃目標(biāo)幾乎是不可能。

在臺(tái)灣當(dāng)局通過“2025非核家園”目標(biāo)數(shù)月之后，2017年8月15日，臺(tái)灣發(fā)生全島性大規(guī)模停電，受影響家庭近700萬戶（幾乎是臺(tái)灣全部人口）。

為了保護(hù)臺(tái)灣的支柱產(chǎn)業(yè)——半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，當(dāng)?shù)卣畬?dāng)晚殘存的電力全都供給了三大科學(xué)園區(qū)的半導(dǎo)體Fab廠，這才使得全球最大的晶圓代工廠臺(tái)積電在這次停電中毫發(fā)無傷。

但這也著實(shí)讓當(dāng)?shù)卣芭_(tái)積電大驚一場。要知道，一座先進(jìn)制程的半導(dǎo)體產(chǎn)線停電幾小時(shí)就有可能造成數(shù)千萬美元的損失。

為了緩解日益緊張的用電危機(jī)，2018年11月，臺(tái)灣當(dāng)局“認(rèn)慫”，“以核養(yǎng)綠”公投過關(guān)，廢止了2025年核能發(fā)電設(shè)備全部停止運(yùn)轉(zhuǎn)的期限，這也使得2018年臺(tái)灣核能供應(yīng)相比2017年有所增加。但是蔡英文政府仍強(qiáng)調(diào)，非核家園仍是目標(biāo)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年中國臺(tái)灣地區(qū)能源供給總量為1.28億噸油當(dāng)量，以化石能源為主，占92.8%，非化石能源僅占7.2%?；茉粗?，石油供給總量為6170萬噸油當(dāng)量，占能源供給總量的48.3%，煤炭3755萬噸油當(dāng)量，占29.4%，天然氣1940萬噸油當(dāng)量，占15.2%。2018年非化石能源消費(fèi)中，核能供給量很大，為688萬噸油當(dāng)量，占能源總供給的5.4%。其他能源品種：生物質(zhì)及廢棄物僅占1.1%，水電占0.3%，太陽能和風(fēng)能分別占0.2%和0.1%，地?zé)崮苷急葮O小。

截至2018年底，中國臺(tái)灣地區(qū)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量52.44GW，以化石能源發(fā)電為主，煤電裝機(jī)19.35GW（36.9%），氣電裝機(jī)16.68GW（31.8%），燃油發(fā)電裝機(jī)3.08GW（5.9%），非化石能源發(fā)電裝機(jī)13.33MW（25.4%）。2018年，中國臺(tái)灣地區(qū)發(fā)電量為2755.8億千瓦時(shí)，其中化石能源發(fā)電占比84%，非化石能源發(fā)電占16%（其中大部分仍為核能）。

從數(shù)據(jù)來看，臺(tái)灣目前的發(fā)電主要還是以燃煤、燃?xì)獍l(fā)電為主，而這些能源則主要依賴于進(jìn)口。其中，石油供應(yīng)消費(fèi)全部依賴進(jìn)口，3/4來自中東；煤炭消費(fèi)全部依賴進(jìn)口，約1/2來自澳大利亞；天然氣消費(fèi)絕大部分依賴進(jìn)口，1/2來自亞太。相比之下水電、太陽能、風(fēng)能占比則很小。而隨著核能的逐步退出，以及臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)于電力需求的快速增長，臺(tái)灣的能源供需尤其是電力供需矛盾未來將會(huì)日益突出。

早在2015年底的時(shí)候，馬英九到參觀臺(tái)積電中科廠，當(dāng)時(shí)臺(tái)積電董事長張忠謀就指出，“目前臺(tái)灣最大的隱憂之一就是缺電”，并預(yù)言臺(tái)灣2017年可能面臨限電危機(jī)。

張忠謀當(dāng)時(shí)在接受采訪時(shí)就表示，停電對(duì)于臺(tái)積電的影響“幾乎不可估計(jì)”。

雖然臺(tái)積電每個(gè)廠都有備用電源，但是面對(duì)產(chǎn)線所需的巨大電能，備用電源在停電時(shí)也撐不了多久。如果臺(tái)積電未來更為先進(jìn)的3nm、2nm工廠出現(xiàn)停電，那么后果更是不可想象。

而為了降低這方面的風(fēng)險(xiǎn)，臺(tái)積電的近年來也在積極的多方布局。

一方面，為了分散風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)更為貼近客戶。臺(tái)積電近兩年開始積極在臺(tái)灣以外建廠，比如早已量產(chǎn)的南京臺(tái)積電廠和規(guī)劃中的美國5nm工廠。

另一方面，臺(tái)積電也在積極推動(dòng)“綠色制造”，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理上的優(yōu)化以及設(shè)備的改進(jìn)來降低能耗。

臺(tái)積電董事長劉德音11月底在3nm廠上梁典禮時(shí)曾說，新廠房設(shè)計(jì)之初已依據(jù)臺(tái)灣與美國綠建筑認(rèn)證系統(tǒng)指標(biāo)規(guī)劃，并持續(xù)推動(dòng)節(jié)能、節(jié)水、減廢、減碳與生態(tài)保護(hù)等友善環(huán)境行動(dòng)。

考慮到先進(jìn)制程機(jī)臺(tái)的數(shù)量和用電量的急劇上升，臺(tái)積電也攜手機(jī)臺(tái)設(shè)備商合作開發(fā)半導(dǎo)體“綠色機(jī)臺(tái)”，并啟動(dòng)新世代機(jī)臺(tái)節(jié)能行動(dòng)專案，估計(jì)今年將因啟用5nm節(jié)能機(jī)臺(tái)省下2億度用電量。

臺(tái)積電表示，還將展開能源用量管理、用電效能提升及生產(chǎn)流程高效化，以期能達(dá)成相同制程技術(shù)量產(chǎn)5年后，生產(chǎn)能效提升1倍的效果。

此外，臺(tái)積電還曾提出過自建電廠的計(jì)劃，但是卻并未獲批。不過，臺(tái)積電也在通過與第三方的電力公司合作，來降低對(duì)于官方電力供應(yīng)系統(tǒng)的依賴。今年7月，臺(tái)積電與風(fēng)電公司沃旭簽署協(xié)議，承包其兩座風(fēng)電場未來20年的發(fā)電量，預(yù)計(jì)每年將消耗34.5億度綠色電力。臺(tái)積電希望未來其3nm工廠使用綠色電力占比將達(dá)到20%左右。

今年7月，臺(tái)積電還加入了全球再生能源倡議組織（RE100），成為全球第一家參加的半導(dǎo)體企業(yè)，承諾2050年前全球營運(yùn)100%使用再生能源。不過，數(shù)據(jù)顯示，臺(tái)灣地區(qū)2019年綠色能源發(fā)電量僅為140億度，還不夠滿足臺(tái)積電一家的使用量。

而為了讓臺(tái)積電能夠放心的在臺(tái)灣建設(shè)3nm、2nm工廠，臺(tái)灣地區(qū)經(jīng)濟(jì)部長王美花近日也表示，由于臺(tái)灣半導(dǎo)體、電子等產(chǎn)業(yè)持續(xù)增加，政府一定要先把環(huán)境做好，尤其電力整備要提前準(zhǔn)備好，未來5年供電及備轉(zhuǎn)容量率都將持續(xù)增加，規(guī)劃2025年備載容量達(dá)17.2%。將會(huì)配合臺(tái)積電的水電需求，以確保供應(yīng)上沒有問題。
責(zé)編AJX