全臺灣用電過(guò)去5年的增加量,約三分之一由臺積電貢獻。接下來(lái),隨著(zhù)導入“救世主”技術(shù)──EUV微影技術(shù),用電還會(huì )暴增。臺積電評估,5nm工藝用電會(huì )是目前主流工藝的1.48倍。電子設計模塊
很多人都忘了,臺積電董事長(cháng)張忠謀曾在2年前準確預言今日的缺電危機。
2015年底,當時(shí)的總統馬英九到參觀(guān)臺積電中科廠(chǎng)。當時(shí)張忠謀便指出,目前臺灣最大的隱憂(yōu)之一就是缺電,他并指出臺灣2017年可能面臨限電危機,“這對產(chǎn)業(yè)影響相當大”。
張忠謀并隨后在媒體提問(wèn)時(shí)指出,停電對于臺積電的影響“幾乎不可估計”。他說(shuō),臺積電每個(gè)廠(chǎng)都有備用電源,但備用電源的用電成本比起臺電提供的電貴3倍,如果未來(lái)長(cháng)期限電“這就很累了”。
其實(shí),過(guò)去一段時(shí)間,張忠謀幾乎每次公開(kāi)發(fā)言,都會(huì )提到‘電’。他到底在擔心什么?答案就藏在今年1月18日,臺灣環(huán)保署通過(guò)的臺南科學(xué)園區擴建案的環(huán)境差異影響評估里頭。
因為臺積電計劃于2020年量產(chǎn)的5納米工藝,決定放在南科廠(chǎng),導致南科的用水、用電量暴增,大幅超過(guò)當初園區的規劃量,因此依法得做環(huán)境差異影響評估。
用電增幅狂飆46%
其中,用電增幅極為驚人,從原本規劃的152萬(wàn)瓦,增加至222萬(wàn)瓦,大幅增加46%。
根據南科管理局提供給環(huán)保署的文件,臺積電的5納米工藝,估計用電量72萬(wàn)瓦,幾乎與南科申請新增的用電功率相當。
這個(gè)數字究竟有多大?根據臺電信息,東部用電量約在40到50萬(wàn)瓦之間。也就是說(shuō),臺積電一個(gè)新廠(chǎng)的用電量,將比整個(gè)東臺灣56萬(wàn)人口的用電量還多上不少。
半導體的制造,本來(lái)就是高度耗電的過(guò)程。盡管臺積電每年花費偌大人力、心力節省電力,但仍改變不了,采用各種先進(jìn)科技及復雜化學(xué)品的晶圓廠(chǎng)、同時(shí)也是吃電大怪獸的事實(shí)。
根據臺積電企業(yè)社會(huì )責任報告書(shū),2016年用電量為88.53億度,較前一年增加11%。
這個(gè)用電成長(cháng)率,與臺積電業(yè)績(jì)的成長(cháng)高度符合。臺積電董事長(cháng)張忠謀在2009年重新接任執行長(cháng)之后,每年法說(shuō)會(huì )都向投資人保證,每年營(yíng)收都會(huì )維持二位數成長(cháng),用電量也大致維持相同比例成長(cháng)。
結果是,過(guò)去5年間,臺積電大舉擴產(chǎn),股價(jià)與業(yè)績(jì)一再創(chuàng )下新高之際??傮w用電量也增加102%,整整翻了一倍有余。
“救世主”技術(shù)上線(xiàn),卻是嚇死人地耗電
臺積電也因此成為臺灣用電成長(cháng)的主要“貢獻者”之一。
根據能源局統計數據,同時(shí)間全臺灣工業(yè)部門(mén)的用電僅增加6%。而這個(gè)增加量當中超過(guò)一半是臺積電貢獻。
全臺灣用電量,過(guò)去5年的增加量當中也有33.6%,差不多三分之一的增加量由臺積電貢獻。
而且,在可預見(jiàn)的未來(lái),這家世界級半導體天王每年用電增加的幅度,只怕還會(huì )加速擴大。因為半導體工藝技術(shù),又到了改朝換代時(shí)刻。
臺積電預計2019年量產(chǎn)的7納米工藝的第二版本──7 Plus,部分工藝將首度導入極紫外光(EUV)微影工藝,這是半導體產(chǎn)業(yè)期待已久的“救世主”技術(shù)。
目前半導體工藝的主流光源是氬氟雷射,波長(cháng)為193納米,當晶體管尺度已微縮到幾十納米時(shí),就像用一支粗毛筆寫(xiě)蠅頭小字一般,生產(chǎn)起來(lái)有點(diǎn)力不從心。這也是近幾年,摩爾定律即將告終的聲浪不斷的主因。
極紫外光的波長(cháng)僅有13.5納米,業(yè)界期望這支“超細字小楷”能夠讓摩爾定律再延伸至少10年。
灑百億購入夢(mèng)幻設備足以買(mǎi)下兩架A380
今年1月,臺積電5納米案環(huán)差評估案通過(guò)的同一星期。獨家生產(chǎn)EUV微影機臺的荷蘭商艾司摩爾(ASML)在法說(shuō)會(huì )宣布,已接到EUV微影機臺6部訂單。
根據《霸榮周刊》(Barron’s)報導,分析師推測,臺積電訂走了其中5臺,亦即一口氣買(mǎi)下5.5億美元(約167.8億臺幣)的設備。
這個(gè)價(jià)錢(qián),幾乎可以買(mǎi)下兩臺世界最大民航機──空巴A380。
除了昂貴之外,但對臺灣而言,EUV這個(gè)“救世主”技術(shù)還有一個(gè)大缺點(diǎn)──耗電。
有多耗電?“嚇死人!”臺積電300mmFabs廠(chǎng)務(wù)處資深處長(cháng)莊子壽心有余悸地說(shuō)。他今年3月在一場(chǎng)記者會(huì )時(shí)表示,他希望未來(lái)臺積電EUV用得“愈少愈好”,“因為太貴了,用的電也太大了。”
艾司摩爾至今尚未公布EUV機臺的耗電功率,但世界第二大內存制造商、南韓的SK海力士曾在2009年的EUV Symposium表示,EUV的能源轉換效率(wall plugef ficiency)只有0.02%左右。
這個(gè)數字現在廣為業(yè)界引用。也就是說(shuō),當前最先進(jìn)的EUV機臺能輸出250瓦功率的EUV,需要輸入0.125萬(wàn)瓦的電力,這個(gè)耗電量是傳統氬氟雷射的10倍以上。
“要把光壓到這么短的波長(cháng),需要很強很強的能量,”莊子壽解釋。
連冷卻系統用電也不容小覷
事實(shí)上,過(guò)去幾年,EUV機臺的輸出功率過(guò)小,遲遲無(wú)法達到量產(chǎn)要求,是這個(gè)夢(mèng)幻技術(shù)一再延誤上市時(shí)機的主要理由。
臺積電法說(shuō)時(shí),負責先進(jìn)工藝的共同執行長(cháng)劉德音也常被分析師問(wèn)到,他期待的EUV機臺功率、量產(chǎn)速度各為多少?
在5年前,艾司摩爾試驗機臺的輸出功率還僅有25瓦。但就在上個(gè)月,該公司達到歷史里程碑。在舊金山的2017年SemiconWest半導體設備展,艾司摩爾宣布,該公司已成功地將EUV光源功率提升到250瓦,晶圓生產(chǎn)速度因此達到每小時(shí)125片──這都是臺積電、英特爾等大客戶(hù)之前提出的量產(chǎn)最低要求?,F有的微影系統量產(chǎn)速度為每小時(shí)200片以上。
為什么提升功率這么難?
曾與臺積電合作EUV光源研究的臺大電機系教授黃升龍解釋?zhuān)饕强ㄔ谏釂?wèn)題。他在臺大的EUV實(shí)驗機組,輸出功率僅有毫(千分之一)瓦等級,水冷系統整個(gè)架起來(lái)就有一個(gè)房間這么大。晶圓廠(chǎng)的EUV量產(chǎn)系統輸出功率是臺大的上萬(wàn)倍,要怎樣將熱導出去,是很復雜的技術(shù)難題。而且,“冷卻系統也得耗上不少電”黃升龍說(shuō)。
整個(gè)EUV技術(shù)商用化的過(guò)程之艱辛、投入研發(fā)金額之巨,堪稱(chēng)半導體業(yè)的“登月計劃”。曾有業(yè)者估計,整個(gè)業(yè)界投入的研發(fā)經(jīng)費超過(guò)200億美元(約臺幣6,100億元)。EUV稱(chēng)為“極紫外光”,但物理特性與一般常見(jiàn)的紫外光差異極大。
首先,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(wú)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(lái)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EUV機臺得經(jīng)過(guò)十幾面反射鏡,將光從光源一路導到晶圓,最后大概只能剩下不到2%的光線(xiàn)。
這也是EUV機臺如此耗電的主因之一。
為了確保供電,臺積電曾考慮自蓋電廠(chǎng)
然而,半導體除了最核心的微影,還有蝕刻、蒸鍍、平面化等多道工藝。導入高耗電的EUV光源,這道工藝對于整廠(chǎng)的用電影響有多大?
這次南科新廠(chǎng)的環(huán)差評估過(guò)程,臺積電主管出示的一張投影片,給了清楚的答案。
若以廠(chǎng)房單位土地規劃用電來(lái)算,5納米工藝用電是當今臺積電的主流28納米工藝的1.48倍。也就是說(shuō),如果同樣都是40公頃的廠(chǎng)區,2020年量產(chǎn)的5納米工藝,總用電會(huì )是目前的一倍半。
“而且,5納米應該只有一半工藝用到EUV,”一位外資分析師說(shuō)。他表示,由于EUV技術(shù)極為昂貴,臺積電仍只有在部分較難的工藝才采用新技術(shù)。但到了在下一個(gè)世代,已經(jīng)逼近摩爾定律極限的3納米工藝,EUV采用比例就會(huì )大幅增加,用電量會(huì )進(jìn)一步暴增。
去年6月,行政院長(cháng)林全首度透露,臺積電有意自蓋電廠(chǎng)。這位分析師表示,當時(shí)臺積電就是擔心大量導入EUV光源的5納米工藝,南科電力系統無(wú)法負荷,直到臺電出具供電保證,才打消念頭。
一位臺積電前主管表示,臺積電的企業(yè)文化是高度專(zhuān)注本業(yè),像自蓋電廠(chǎng)這類(lèi)事,“過(guò)去根本連想都不會(huì )想,會(huì )去考慮這件事,就表示缺電非常嚴重。”
但接下來(lái)更耗電的的3納米工藝,便傳出臺積電有意設廠(chǎng)美國,除了土地與環(huán)評,電力穩定度也是考慮因素之一。
在第二季法說(shuō)會(huì )上,臺積電共同執行長(cháng)劉德音表示,3納米的選址決定明年上半年將會(huì )正式?jīng)Q定,目前仍是以臺灣為優(yōu)先。