143.3億度電,是怎樣一個概念?2019年,常住人口1343.88萬人的深圳市,全年居民用電146.64億度,和它差不多。龍灘水電站,僅次於三峽的中國第二大水電站,年發電量187億度,比它多個3成。人口495萬,人均GDP4.2萬美元的紐西蘭,2018年發電量為443億度,僅為它的三倍。總之,這是一個恐怖的數字,夠一個普通的三口之家用幾百萬年。
然而,放在台積電這,它只夠用一年。
根據台積電企業社會責任報告書,2019年,包括台灣廠區、WaferTech、台積電(中國)、台積電(南京)、采鈺公司。
台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%。
晶片製造為何如此耗電?這些電都用到哪裡去了?
維持超淨、恆溫環境
在去年的文章《沙子是如何變成晶片的》裡,科技君科普了晶片製造全過程。
做出一個晶片需要經過矽純化、拋光、電鍍、光刻、蝕刻等數個步驟,細分下來有3000多步工序。
而在各個步驟中,需要維持超淨、恆溫、高溫高壓、真空、強電磁場等條件。
這些都會消耗巨大的電能。
其中的大頭在超淨和恆溫方面,那篇文章中有提到:
「由於晶片製造對工藝要求極高,需要在無塵環境中進行,所以在幾十個足球場那麼大的工廠里,水和空氣都經過多級過濾,比醫院的手術台還要乾淨10萬倍。」
如此巨大的超淨空間,而且是全年365天,全天24小時維持著,能不耗電嗎?
還沒完,除了對水和空氣進行多級過濾,你還得讓溫度全年控制在22度左右。
畢竟如今的工藝精度已經來到了幾奈米,溫度一下變化太大,熱脹冷縮說不定就刻歪了。
如此一來,耗電量又翻了個倍。
EUV光刻機
除了維持環境,另一大耗電巨頭是EUV光刻機(極紫外光刻)。
EUV光刻機,當前最先進的光刻設備,1.2億美元一台,華為麒麟9905G及蘋果A13,便通過它生產出來。
這玩意兒有多耗電呢?
我們平時用電來發光得到照明,目前市面上的LED產品,電光轉換效率是最高120lm/W,大約是理論值的34%。
2010年1月Cree公司發布的208lm/W的白光LED,其電光轉換效率已達到64%。
然而,極紫外光的電光轉換效率,卻只有0.02%左右,低到可怕。
目前ASML最先進的EUV光刻機,能輸出250瓦功率,需要輸入0.125萬千瓦的電力才能維持。
也就是說,一台輸出功率為250瓦的EUV光刻機工作一天,光是光源這一項,就會消耗3萬度電。
而這樣的光刻機,台積電有幾十台,還有幾百台其它型號的光刻機……
你說,這能不耗電嗎?
還沒完。能量守恆定律大家都知道吧,那些沒被轉換成極紫外光的電能,並不會憑空消失,而是變成了熱能。
這些熱能你必須找辦法給散掉,不然幾秒鐘內,就能將價值1.2億美元的EUV光刻機給燒掉。
怎麼散?
據悉,當初台積電的EUV實驗機組,水冷系統整個架起來,就有一個房間這麼大。
而台積電工廠的EUV量產系統輸出功率,是實驗機組的上萬倍......
技術啥的咱先不提,這套冷卻系統電量消耗一定少不了。
以上提到的兩個,只是台積電用電的大頭,矽純化、拋光、電鍍、蝕刻等步驟,同樣會消耗大量的電能。
而且,隨著工藝的進步,EUV光刻機將全面取代DUV光刻機,未來台積電耗電量會進一步增加。
根據報導,台灣地區過去5年用電的增長量,約有1/3都是由台積電貢獻的。
而隨著新一代的5奈米EUV技術導入,用電量還將暴增,可達目前主流製程的1.48倍。