台积电3nm工厂年耗电量将达70亿度 “缺电”或成最大威胁

原标题:台积电3nm工厂年耗电量将达70亿度 “缺电”或成最大威胁

来源:芯智讯

日前有媒体报道称,台积电已经成功开发了2nm工艺,而2nm工厂预计将落脚于新竹科学园区宝山园区,且台积电也持续积极布局2nm以下的先进制程,传闻可能会在高雄设厂。至于2nm的进度,消息称台积电将在2023年上半年进行风险生产,2024年开始批量生产。

不过,台积电对此消息回应称,目前已投入2nm制程技术研发,不过,尚无具体量产时间。

台积电过去约每2年推进一个世代制程技术,今年下半年5nm制程大量生产,3nm预计2022 年下半年量产(资料显示,台积电3nm工艺比5nm工艺的晶体管密度高70%,性能提高15%,功耗降低30%)。因此,外界推测,台积电2nm大约会在2025 年之前量产。

与此同时,根据中国台湾地区经济部能源局公告显示,2022年到2023年应备总供电容量增加近100万千瓦,2024年到2025年进一步大增257.6万千瓦。由于台积电是台湾的用电大户,从台湾供电容量的增加幅度来看,外界猜测,台积电2nm制程有望于2025 年前量产,与台湾用电负载激增时间吻合。

台积电:台湾最大的耗电大户

根据世界能源署统计,2012年台湾人均年耗电量已经达到约10800千瓦时,超过日本、韩国,成为亚洲非产油国家和地区人均耗电量之最。而2014年中国大陆的人均年耗电量才4740千瓦时,不到台湾地区2012年的一半。

不过以上数据可能与台湾公布数据存在一些出入。根据台电统计数据显示,2012年民生用电售电量576.45亿度,工业用电1176.48亿度。截至2012年底,台湾人口约2331.58万人。以此数据来估算,台湾的人均年耗电量约为7518度。

根据电公司统计的数据显示,中国台湾地区2018年全年用电量达2191亿度。而2018年底,台湾户籍登记人口则为2358.9万人。按照此数据来计算,2018年,台湾人均年耗电量已经超过了9288千万时,远超冰岛等人均耗电量排名靠前的国家。

而台湾地区人均年耗电量如此之高的关键原因则是,台湾庞大的半导体产业消耗了大量的电能,导致台湾的人均年耗电量“被平均”了。

而在台湾半导体厂商当中,台积电一直都是最大的用电大户,几年之前,台积电的用电量就占据了全台湾用电量的5%以上。

根据台积电企业社会责任报告书,2016年台积电用电量就已高达88.53 亿度,较前2015年增加了11%。当时台积电仅在竹科的Fab耗电功率已经超过72万千瓦。

2019年,包括中国台湾厂区、WaferTech、台积电(中国)、台积电(南京)、采钰公司,台积电全球能源消耗量为143.3亿度,比五年前增加了54.12亿度,近五年每年平均年增长率12.5%。资料显示,过去五年,全台湾增长的电量,其中1/3都被台积电给消耗了。

先进制程产线最为耗电:一台EUV光刻机,一天耗电3万度?3nm工厂年耗电量将达70亿度

台积电造的每一颗芯片需要经过数千道工序才能完工,而这其中需要利用大量的半导体设备,并一直维持恒温、高压等各种复杂环境,这一切都需要电,造的芯片越多、制程越先进,用的电就越多。

数据显示,先进制程机台用电量占台积电公司能源使用50%以上,同时考虑先进制程机台数量逐年增加,台积电对于电能的消耗将进一步快速增长。

由于7nm以下的先进工艺制程必须要使用EUV光刻机,而EUV光刻机的大量使用将会对台湾的供电能力提出巨大挑战。

SK 海力士此前曾表示,“EUV 的能源转换效率(wall plug efficiency)只有 0.02% 左右。”而造成转换率低的一大原因是,极紫外光本身的损耗过大。

“极紫外光物理特性与一般常见的紫外光差异极大。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。

如果按照前面的EUV能源转换效率只有0.02% 来计算,目前先进的能输出 250 瓦功率的 EUV的机台,需要输入0.125万千瓦的电力才能达到,这个耗电量是传统氩氟雷射的 10 倍以上。换句话来说,就是一台输出功率250W的EUV机器工作一天,将会消耗3万度电,这个数字确实吓人。

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。

另外需要指出的是,如此大的耗电量也不可避免的带来了很大的发热量,因此需要部署相应的冷却系统,而这也将非常的耗电。

根据今年7月台湾媒体的报道称,随着台积电5nm的大规模量产,台积电今年的单位产品用电量相比去年上升了17.9%,而该公司拟定的目标则为降低11.5%。台媒称,以执行力著称的台积电管理团队,如此大幅落后设定目标,是极罕见的事。

台积电对此解释称,随着新制程技术与制程复杂度增加,新制程机台用电量上升,导致10nm以下制程产品用电量较16nm以上的制程倍增。有分析称,极可能是EUV导入的速度与量产之后的耗电量超乎预期。

根据预计,一个7nm的EUV产线可能只需要1台ASML EUV光刻机NXE 3400B即可,但是到了3nm制程产线,如果继续用NXE 3400B,就可能需要4台才能实现,耗电量将更为惊人。

不过,ASML也正在提升光刻机的效率,比如已推出的改进的NXE:3400C的产能从之前的125WPH(每小时处理晶圆数)提升到了175WPH,同时还将推出针对3nm及以下制程的EXE:5000系列EUV光刻机。希望届时新的EUV光刻机能够进一步提升能效比。但是,单机的能耗恐怕难以实现大幅的降低。

根据之前的预测,台积电3nm半导体制造厂开启后,预计年耗电量将达到70亿度。而等到2nm制程Fab的量产,其耗电量必然将再度上升到一个新的台阶,未来台积电的用电量将有可能超过台湾总电量的10%。

“缺电”或成台湾半导体产业发展掣肘

需要指出的是,由于台湾的煤炭、石油、天然气、水利资源都比较匮乏,这也导致了台湾所需的能源99%需要靠进口。更为关键的是,在2011年日本大地震导致日本福岛第一核电站发生泄露之后,台湾就开始逐步“去核化”,这也进一步加重了台湾的能源危机。

当时的民进党主席蔡英文为了获得支持率,就抛出了“2025非核家园计划”,强调如果赢得“总统”大选,将最终在2025年完全停止核能发电。蔡英文当选之后,2017年2月,台湾地区立法机构正式通过的相关条文明确,核能发电设备应于2025年以前全部停止运转,以实现蔡英文提出的“2025非核家园”目标。

按照“2025非核家园”的规划,到2025年台湾天然气发电占总发电比例的50%,燃煤30%,绿色能源20%。而根据台电所发布的报告显示,2016年台电系统发、购电量为2258亿度,其中火力发电量占比达79.9%,再生能源占比为5.1%,抽蓄水力1.5%,核能为13.5%。而2016年台电备用容量率仅10.4%。考虑到未来台湾用电的增长,要在完全退出核能的同时,实现2025年“2025非核家园”的规划目标几乎是不可能。

在台湾当局通过“2025非核家园”目标数月之后,2017年8月15日,台湾发生全岛性大规模停电,受影响家庭近700万户(几乎是台湾全部人口)。而为了保护台湾的支柱产业——半导体产业,当地政府将当晚残存的电力全都供给了三大科学园区的半导体Fab厂,这才使得全球最大的晶圆代工厂台积电在这次停电中毫发无伤。但这也着实让当地政府及台积电大惊一场。要知道,一座先进制程的半导体产线停电几小时就有可能造成数千万美元的损失。

为了缓解日益紧张的用电危机,2018年11月,台湾当局“认怂”,“以核养绿”公投过关,废止了2025年核能发电设备全部停止运转的期限,这也使得2018年台湾核能供应相比2017年有所增加。但是蔡英文政府仍强调,非核家园仍是目标。

根据统计数据显示,2018年中国台湾地区能源供给总量为1.28亿吨油当量,以化石能源为主,占92.8%,非化石能源仅占7.2%。化石能源中,石油供给总量为6170万吨油当量,占能源供给总量的48.3%,煤炭3755万吨油当量,占29.4%,天然气1940万吨油当量,占15.2%。2018年非化石能源消费中,核能供给量很大,为688万吨油当量,占能源总供给的5.4%。其他能源品种:生物质及废弃物仅占1.1%,水电占0.3%,太阳能和风能分别占0.2%和0.1%,地热能占比极小。

截至2018年底,中国台湾地区累计发电装机容量52.44GW,以化石能源发电为主,煤电装机19.35GW(36.9%),气电装机16.68GW(31.8%),燃油发电装机3.08GW(5.9%),非化石能源发电装机13.33MW(25.4%)。2018年,中国台湾地区发电量为2755.8亿千瓦时,其中化石能源发电占比84%,非化石能源发电占16%(其中大部分仍为核能)。

从数据来看,台湾目前的发电主要还是以燃煤、燃气发电为主,而这些能源则主要依赖于进口。其中,石油供应消费全部依赖进口,3/4来自中东;煤炭消费全部依赖进口,约1/2来自澳大利亚;天然气消费绝大部分依赖进口,1/2来自亚太。相比之下水电、太阳能、风能占比则很小。而随着核能的逐步退出,以及台湾半导体产业对于电力需求的快速增长,台湾的能源供需尤其是电力供需矛盾未来将会日益突出。

早在2015年底的时候,马英九到参观台积电中科厂,当时台积电董事长张忠谋就指出,“目前台湾最大的隐忧之一就是缺电”,并预言台湾2017年可能面临限电危机。张忠谋当时在接受采访时就表示,停电对于台积电的影响“几乎不可估计”。虽然台积电每个厂都有备用电源,但是面对产线所需的巨大电能,备用电源在停电时也撑不了多久。如果台积电未来更为先进的3nm、2nm工厂出现停电,那么后果更是不可想象。

而为了降低这方面的风险,台积电的近年来也在积极的多方布局。

一方面,为了分散风险,同时更为贴近客户。台积电近两年开始积极在台湾以外建厂,比如早已量产的南京台积电厂和规划中的美国5nm工厂。

另一方面,台积电也在积极推动“绿色制造”,通过系统设计和管理上的优化以及设备的改进来降低能耗。

台积电董事长刘德音11月底在3nm厂上梁典礼时曾说,新厂房设计之初已依据台湾与美国绿建筑认证系统指标规划,并持续推动节能、节水、减废、减碳与生态保护等友善环境行动。

考虑到先进制程机台的数量和用电量的急剧上升,台积电也携手机台设备商合作开发半导体“绿色机台”,并启动新世代机台节能行动专案,估计今年将因启用5nm节能机台省下2亿度用电量。

台积电表示,还将展开能源用量管理、用电效能提升及生产流程高效化,以期能达成相同制程技术量产5年后,生产能效提升1倍的效果。

此外,台积电还曾提出过自建电厂的计划,但是却并未获批。不过,台积电也在通过与第三方的电力公司合作,来降低对于官方电力供应系统的依赖。今年7月,台积电与风电公司沃旭签署协议,承包其两座风电场未来20年的发电量,预计每年将消耗34.5亿度绿色电力。台积电希望未来其3nm工厂使用绿色电力占比将达到20%左右。

今年7月,台积电还加入了全球再生能源倡议组织(RE100),成为全球第一家参加的半导体企业,承诺2050年前全球营运100%使用再生能源。不过,数据显示,台湾地区2019年绿色能源发电量仅为140亿度,还不够满足台积电一家的使用量。

而为了让台积电能够放心的在台湾建设3nm、2nm工厂,台湾地区经济部长王美花近日也表示,由于台湾半导体、电子等产业持续增加,政府一定要先把环境做好,尤其电力整备要提前准备好,未来5年供电及备转容量率都将持续增加,规划2025年备载容量达17.2%。将会配合台积电的水电需求,以确保供应上没有问题。

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