“碳”焦慮下,半導體行業怎麼解?|雙碳觀察

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一家半導體公司一年的碳排放是多少?

根據彭博社的資料,臺積電在 2017 年排放了 600 萬噸碳,2019 年排放了 800 萬噸,2020 年排放了 1500 萬噸。在過去幾年中,臺積電的溫室氣體排放量已經超過了汽車巨頭通用汽車的排放量。

按理來說,半導體不斷讓自己更加高效,以滿足機器學習、人工智慧、遊戲、區塊鏈等日益增長的計算需求,同時也是發展的大趨勢,然而這裡面會出現兩個問題: 半導體制造本身就是有代價的,它需要大量的能源和水,並會產生大量碳排放;一旦事情變得非常高效,人們就會更多地使用它,也會增加整體的碳足跡。

2020年,哈佛大學的一個小組發表了一項研究,計算了從元件製造到回收的計算過程中的碳排放。研究顯示,對於許多型別的移動和資料中心裝置來說,硬體製造業是現在主要的碳排放源。

全球減排大潮來臨,半導體行業都要面對同一道考題:碳排這麼高,想減的話,從哪減?怎麼減?近日針對這些問題,鈦媒體App採訪了英特爾首席可持續發展官Todd Brady。

造芯要用多少水電?

半導體工業是能源、水、化學品和原材料的資源密集型產業,從矽片製造、晶片設計、晶圓製造再到封裝測試,製造工藝繁多,其中,不少製造工序對用電量都有巨大的需求。

比如,製造過程中的擴散爐、離子注入機和等離子蝕刻機都需要相當大的功率,有些需要非常高的溫度,這些都需要耗費巨大的電量。

根據臺積電發表的《臺積公司2020年度氣候相關財務揭露報告》,2020年,臺積電的用電量為169億度,超過整個臺北市的用電量。

不只耗電量大,半導體的用水量也相當驚人。

在晶片生產的過程中有一個非常重要的步驟,需要利用純水對晶片上的雜質進行沖洗。純水從哪兒來?從淡水淨化而來,因此就需要消耗大量的水資源,而越是先進製程工藝的晶片,所需要消耗的水資源就越多。 以一座大型半導體Fab為例,日均耗水量可達數千噸。

巨量的水、電之外,半導體生產製造過程中還會排放廢棄物,有些甚至有害。

據外媒4月1日的報道,因比利時政府的嚴格的環保政策影響,3M位於比利時佛蘭德斯的茲韋恩德雷赫特工廠被“無限期關閉”,而該廠所生產的半導體冷卻劑佔據了全球80%的產能。

什麼是半導體冷卻劑?這是一種應用於電子行業的氟化液,即電子級氟化液。它不僅可以幫助晶片製造過程中精確控制溫度,同時還可以對相關的半導體裝置進行恆溫冷卻,保障穩定執行。

然而氟化液及其生產排放的全氟/多氟烷基物質對於生物體來說,具有潛在的生物累積性,在人體內累積久後可能導致激素紊亂,這也是這次被“無限期關閉”的重要原因。

淨零排放靠什麼?

減少碳排放,將電力來源轉換為清潔能源是關鍵。

2021年夏天,臺積電宣佈希望到 2050 年實現淨零排放。它還設定了到 2030 年實現全公司可再生能源使用 40% 的目標。

相比於臺積電的這一目標,英特爾顯然要快一些。

4月14日,英特爾公司釋出承諾,到2040年實現全球業務的溫室氣體淨零排放。為保證這一長期目標的實現,英特爾還制定了2030年中期目標,其中就提到一點:在全球業務中100% 使用可再生電力,並且投資約3億美元用於設施節能,以實現累計40億千瓦時的能源節約。

這並不是英特爾首次提出節能減排的目標。據Todd Brady介紹,英特爾在做這些節能減排的事已經超過了20年,而今天英特爾已經非常成功的使溫室氣體的排放降低了75%,但剩下的25%的排放降低是非常難做到的,因為這需要和價值鏈上的所有成員攜手合作。

難卻正確的事情怎麼做?

Todd Brady指出,一方面,與供應商合作以確定需要改進的領域。比如讓供應商進一步關注節能和可再生能源的採購;提升化學品和資源效率;以及領導跨行業聯盟,為過渡到淨零溫室氣體排放的半導體生產價值鏈提供支援。為加快行動進展,英特爾承諾與供應商合作,在相較於不進行投資和採取行動的情況下,於2030 年前將供應鏈的溫室氣體排放量降低至少30%。

另一方面,與客戶和行業夥伴合作制訂各項解決方案,讓執行效率更高且能耗更低。

如何提高能效?

Todd Brady認為,要從兩處著手: 一是提升下一代集成了CPU和GPU的Falcon Shores架構;二是將客戶端和伺服器、微處理器的產品能效也提升。

降低能耗具體怎麼做?

以英特爾正與 Submer 等公司的合作為例, 英特爾為跨雲和通訊服務提供商的資料中心啟用液浸式散熱試點部署。該方案應用了新的原理,例如通過液浸式散熱進行熱量回收和再利用。 

增加對可再生能源的利用,也是減少全球溫室氣體排放的關鍵步驟。 對此,英特爾還聯合了一些全球最大規模的公用事業運營商,組建了智慧二級變電站邊緣裝置聯盟 (Edge for Smart Secondary Substations Alliance),以實現電網變電站更好地支援可再生能源。法國最大的電網運營商 Enedis 最近也加入了這一聯盟,採用了提供全網實時控制的解決方案,對超過 80 萬個二級變電站進行了升級。

結語

減排浪潮席捲而來,在世界中心形成了巨大的漩渦。漩渦中心飽受矚目的就有這幾年存在感超強的半導體企業。但減排在某種程度上就意味著要付出更多的成本,對於企業來說,成本和環保之間真的不會打架嗎?

“如果說對這些提高能效或者是環保技術進行投資,我們一般在3-5年就可以提高投資回報率。 ”Todd Brady並不認為環保投資是企業增長的威脅,相反而是幫助,他還舉例,英特爾在大型工業級冷卻器當中使用AI技術來降低工業冷卻塔的能源消耗,可以讓整個能耗降低20%-30%,這不僅能降低成本,同時也可以幫助英特爾把新的產品和技術解決方案銷售給客戶。

“這是一種可持續發展的投資”。Todd Brady說。 (本文首發鈦媒體App,作者/韓敬嫻,編輯/張敏)