春生、夏長、秋收、冬藏,千百年來,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)根據(jù)日照、降雨、氣溫等季節(jié)天氣的變化規(guī)律指導(dǎo)著農(nóng)耕生產(chǎn),“看老天吃飯”,也成為了扎根土地的人們一代代口耳相傳的古訓(xùn) 。自工業(yè)革命伊始,蒸汽機(jī)、煤、鐵和鋼開始減輕人類對畜力、風(fēng)力和水力由來已久的依賴 。
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隨著工業(yè)和科技大躍進(jìn)時代的加深,在今天,互聯(lián)網(wǎng)打破了人們溝通交流的地理和時空的限制,人工智能逐漸滲入到社會肌理,無土栽培和人造肉似乎處在顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的前夕,人類與自然真的越來越遠(yuǎn)了嗎?
起碼,從當(dāng)今集合了人類尖端技術(shù)的晶圓代工廠來說,答案并非如此 。現(xiàn)實的結(jié)果是,以臺積電為代表的晶圓代工廠們正遭受著缺水、斷電的困擾,猶如傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)一般,處處受到自然環(huán)境和資源的限制 。
投資花費(fèi)達(dá)百億、千億的高科技芯片工廠們?yōu)楹稳绱舜嗳酰?br />最近讓中國臺灣地區(qū)芯片產(chǎn)業(yè)人士揪心的事不少,缺水、缺電的問題還沒解決,新冠疫情帶來的沖擊又使得十余名芯片工程師遭到隔離 。
據(jù)報道,近日臺積電一名工程師確診,其密切接觸者超過十人 。雖臺積電表示該員工已于當(dāng)日居家進(jìn)行為期十四天的隔離,但除了臺積電外亦有晶圓代工廠世界先進(jìn)、工業(yè)計算機(jī)大廠研華、內(nèi)存廠商宇瞻、南亞科等硬件廠商員工確診 。
臺灣地區(qū)疫情的整體形勢仍然嚴(yán)峻 。據(jù)央視報道,繼5月15日突然升至180例本土確診后,目前已經(jīng)連續(xù)10天單日新增超過百例 。5月25日共新增確診590例,包括當(dāng)日新增的334例和“校正回歸”的本土個案256例,10天內(nèi)累計新增確診3584例 。
疫情沖擊下,臺積電于5月19日要求部分中高風(fēng)險地區(qū)員工居家辦公,確保公司正常運(yùn)轉(zhuǎn),產(chǎn)能不受沖擊 。然而,臺灣地區(qū)于5月13日、5月17日全臺規(guī)模的分區(qū)停電讓芯片廠商們雪上加霜 。
據(jù)報道,停電原因或由于高雄的興達(dá)電廠機(jī)組跳電,嗣后又陸續(xù)有包括桃園大潭電廠、高雄大林電廠機(jī)組相繼跳電,使得全臺2000萬戶的夜間用電遭到限制 。
與此同時,臺積電仍在繼續(xù)建廠擴(kuò)大產(chǎn)能,臺積電分別在南科、竹科部署5nm和3nm的先進(jìn)制程晶圓工廠,先進(jìn)制程工廠的耗電量更大,未來的用電量只會迅猛增長 。據(jù)了解,2018年,臺灣地區(qū)新增電力被臺積電吃掉84.7%;2022年,臺積電的3納米廠,將用掉臺灣地區(qū)3%的電 。屆時,芯片產(chǎn)業(yè)的用電緊張疑慮恐怕有增無減 。
芯片制造業(yè)是一個巨大的資源消耗型行業(yè),芯片制造工藝繁多,從硅片制造、芯片設(shè)計、晶圓制造再到封裝測試,前前后后所需進(jìn)行的工藝程序不下上千步,其中,不少制造工序?qū)τ秒娏慷加芯薮蟮男枨?。
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半導(dǎo)體的制造工序來源:長江證券 整理
芯片制造中一臺EUV光刻機(jī)的單日耗電量就可以達(dá)到驚人的3萬度,而一條生產(chǎn)線中除了先進(jìn)制程需要用到的EUV光刻機(jī),大概還需要上百臺成熟制程的DUV光刻機(jī),DUV的耗電量雖然沒有EUV那么夸張,但也不是小數(shù)字 。僅在新竹科學(xué)園區(qū)中就有著十幾座晶圓代工廠,其耗電量的驚人程度可想而知,而光刻只是晶圓制造眾多程序中的一環(huán) 。
在晶圓制造中,除了所需的工藝程序和大型設(shè)備耗電量巨大,其生產(chǎn)制造環(huán)境對溫度、濕度、氣壓、無塵等條件同樣要求苛刻,同樣需要投入大量的電力來維持這些環(huán)境控制設(shè)備 。
如,芯片制造區(qū)間的環(huán)境空氣過濾,維持無塵的超凈環(huán)境;環(huán)境溫度控制,要保持整個工廠的環(huán)境溫度穩(wěn)定;制造超純水清洗硅片;以及全世界產(chǎn)能緊缺的情況下工廠24小時連軸運(yùn)轉(zhuǎn) 。
其中晶圓廠對廠區(qū)無塵的要求最為苛刻 。在對精度要求極高的納米級芯片制造上,一粒灰塵就可能導(dǎo)致芯片的損壞,越是高性能的芯片對其原材料硅片的純度要求就越高,以避免其它雜質(zhì)對其材料的污染 。因此,在一般晶圓廠的光刻工作區(qū)間內(nèi),防塵級別可達(dá)到1級,即每立方米內(nèi)0.1微米的灰塵不能超過10個 。
由此種種導(dǎo)致晶圓廠耗費(fèi)的電量巨大,據(jù)綠色和平組織估計,臺積電的年用電量占臺灣地區(qū)總用電量的4.8%,超過了整個臺北市的用電量,恐怖的耗電量也帶來了巨量的熱能排放,因此產(chǎn)生的通風(fēng)、制冷設(shè)備消耗同樣不是小數(shù)字 。
晶圓工廠不僅是用電大戶,其工業(yè)用水的需求量只多不少 。先進(jìn)制程對芯片精度的要求非常高,因此晶圓工廠的不少工作區(qū)為無塵區(qū)間,而一些晶圓生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要用大量的超純水沖洗來保證產(chǎn)品的良品率 。作為芯片晶圓代工廠龍頭的臺積電,其在臺灣地區(qū)各工廠的每天用水量達(dá)到了近20萬噸,且用水量在過去十年中增長了近5倍 。
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