半導(dǎo)體污染悖論

全球環(huán)保目標(biāo)需要依靠半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)，但芯片本身的制造卻造成了環(huán)境污染。

最近，由于比利時(shí)政府提高了過(guò)氟化物的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，占全球產(chǎn)能80%的冷卻劑制造工廠3M被責(zé)令“無(wú)期限關(guān)閉”。半導(dǎo)體生產(chǎn)造成的環(huán)境污染與全球低碳的目標(biāo)一直有沖突，而這次的無(wú)期限關(guān)閉只是半導(dǎo)體生產(chǎn)與環(huán)保沖突的一個(gè)極端縮影。

高科技，高污染?

半導(dǎo)體工業(yè)是能源、水、化學(xué)品和原材料的資源密集型產(chǎn)業(yè)。在制造過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生不同種類的排放物，包括像二氧化碳和含氟化合物這類的溫室氣體。半導(dǎo)體繁復(fù)的制程導(dǎo)致了半導(dǎo)體制造工業(yè)的特殊性,其生產(chǎn)線所產(chǎn)生的廢棄物如不妥善處理,將對(duì)外圍自然環(huán)境造成難以挽回的負(fù)面影響。

隨著全球?qū)栊酒耐⑿枨?，從智能手機(jī)、平板、新能源汽車與智能家具等各種產(chǎn)品中都需要硅芯片。但現(xiàn)在的半導(dǎo)體行業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)悖論：全球環(huán)保目標(biāo)需要依靠半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)，但芯片本身的制造卻造成了環(huán)境污染。

巨大的耗電量

芯片制造業(yè)是一個(gè)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(jì)、晶圓制造再到封裝測(cè)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蟆?/p>

根據(jù)臺(tái)積電發(fā)表的《臺(tái)積公司2020年度氣候相關(guān)財(cái)務(wù)揭露報(bào)告》，2020年，臺(tái)積電的用電量為169億度，比2019年增長(zhǎng)了18%，超過(guò)整個(gè)臺(tái)北市的用電量。而中國(guó)臺(tái)灣全年的用電量為2710億度，相當(dāng)于臺(tái)積電一家就消耗了中國(guó)臺(tái)灣近6%的電力。預(yù)計(jì)到2022年，這個(gè)數(shù)字將上升至7.2%。

而中國(guó)臺(tái)灣明確在2025年前棄核，其發(fā)電的選擇只剩下煤電和氣電，在2030年減少20%的碳排放、2050年減排50%的目標(biāo)下，中國(guó)臺(tái)灣電力公司建設(shè)煤電機(jī)組也被民眾投訴污染。

吞水巨獸

半導(dǎo)體產(chǎn)品在制造過(guò)程中需要依賴大量的水源，尤其是半導(dǎo)體制造要使用超純水(Ultrapure water)，而制作超純水的過(guò)程要使用幾倍的自來(lái)水，用水量相當(dāng)驚人。

半導(dǎo)體生產(chǎn)到底需要多少水?數(shù)據(jù)顯示，在產(chǎn)能在4萬(wàn)片每月的200mm晶圓廠中，一天用水量約為8000到10000 噸，其中70%是用來(lái)生成超純水。但是到16nm，7nm工藝，同樣產(chǎn)能為4萬(wàn)片的12英寸晶圓廠，每天用水量大概是20000噸。

臺(tái)積電新竹、中部、南部三個(gè)廠區(qū)每日用水量分別為5.7萬(wàn)噸、5.4萬(wàn)噸和8.2萬(wàn)噸。盡管臺(tái)積電已實(shí)現(xiàn)86%的廢水回收利用率，平均每升水可重復(fù)利用3-4次，但仍然消耗巨大。2020年臺(tái)積電消耗了約7000萬(wàn)噸水，2021年中國(guó)臺(tái)灣又遭遇了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)最嚴(yán)重的干旱。為了保住“用水大戶”半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，中國(guó)臺(tái)灣采取多種措施，如抽取地下水、休耕停灌大量農(nóng)田等，自此臺(tái)積電的用水問(wèn)題成為了一個(gè)有爭(zhēng)議的話題——芯片制造商與農(nóng)民爭(zhēng)奪水資源。

廢棄物排放

在美國(guó)，英特爾位于亞利桑那州奧科蒂洛的 700 英畝園區(qū)在去年前三個(gè)月產(chǎn)生了近 15000 噸廢物，其中約 60% 是危險(xiǎn)的。它還消耗了 9.27 億加侖淡水，足以填滿大約 1400 個(gè)奧林匹克游泳池，并使用了 5.61 億千瓦時(shí)的能源。

哈佛研究員Udit Gupta和合著者在 2020 年的一篇論文中寫道，“芯片制造占電子設(shè)備碳排放的大部分，而不是能源消耗或硬件使用?！?/p>

不同企業(yè)推出不同環(huán)保措施

近年來(lái)，包括美國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)相繼公布實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間，歐盟和美國(guó)的目標(biāo)都是到 2030 年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，其碳足跡也會(huì)隨之增長(zhǎng)?？稍偕茉吹母罂捎眯哉趲椭酒圃焐虦p少碳足跡。

英特爾承諾到 2030 年從可再生能源中獲取 100% 的能源，2017 年，英特爾設(shè)立了新的環(huán)保目標(biāo)——到 2025 年，其全球用水實(shí)現(xiàn) 100% 回收再利用，并在目前取得一定進(jìn)展。

英特爾正在穩(wěn)步推進(jìn)實(shí)現(xiàn) 2020 年溫室氣體排放目標(biāo)——到 2020 年，溫室氣體排放量比 2010 年降低 10%。英特爾的直接溫室氣體排放強(qiáng)度比 2010 年下降了 20%。

臺(tái)積電承諾到2050年從可再生能源中獲取 100% 的能源。臺(tái)積電在中國(guó)臺(tái)灣50多年來(lái)最嚴(yán)重干旱時(shí)期做出來(lái)承諾，設(shè)定了廢物管理策略與目標(biāo)——到2030年每片12英寸等效晶圓掩模層外包單位廢棄物處理量≤0.5公斤，即40萬(wàn)噸/年。

臺(tái)積電成立ESG指導(dǎo)委員會(huì)，由董事長(zhǎng)劉德音領(lǐng)銜，多部門高管在內(nèi)，負(fù)責(zé)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。該委員會(huì)成立于 2020 年，并誓言該公司將在 2050 年之前實(shí)現(xiàn)碳中和——即在全球運(yùn)營(yíng)中采用 100% 可再生能源。

SK海力士將運(yùn)用生命周期評(píng)估系統(tǒng)(Life Cycle Assessment,簡(jiǎn)稱LCA) ,評(píng)估和改善產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期內(nèi)的耗水量和環(huán)境影響。2021年，SK海力士將爭(zhēng)取從一些老舊廢水處理設(shè)備處理排放的廢水整合到更先進(jìn)的綜合廢水處理設(shè)備，改善排放水的質(zhì)量。

目前,SK海力士將法定標(biāo)準(zhǔn)中主要水質(zhì)指標(biāo)——生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand, 簡(jiǎn)稱BOD)控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的10%以內(nèi)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)30mg/ 、公司標(biāo)準(zhǔn)2.4mg/ ),并仍在繼續(xù)加大投入和維護(hù)力度。

全球知名的功率半導(dǎo)體企業(yè)英飛凌更在2020年率先承諾實(shí)現(xiàn)碳中和，并制定“有約束力的減排目標(biāo)”：到2025年將二氧化碳排放量較2019年降低70%，到2030年實(shí)現(xiàn)碳中和。

在碳中和政策下，半導(dǎo)體應(yīng)該如何發(fā)展?

中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)、集成電路分會(huì)理事長(zhǎng)葉甜春表示:“目前中國(guó)制造業(yè)全球規(guī)模最大，作為世界工廠，大量能源被消耗，每個(gè)環(huán)節(jié)都有加強(qiáng)資源管理的空間。”

我國(guó)接連發(fā)布了兩份與“雙碳”相關(guān)的文件，指明了未來(lái)綠色低碳發(fā)展方向，即二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值，并努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。這一目標(biāo)需要包括半導(dǎo)體企業(yè)在內(nèi)的所有行業(yè)共同努力。

未來(lái)集成電路的生命周期評(píng)估

減少資源占用可能還會(huì)保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性--例如，如果涉及到稀缺的材料—也許會(huì)給公司帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如今，許多公司依靠諸如生命周期評(píng)估(LCA)等方法來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的環(huán)境影響，從材料采購(gòu)到壽命結(jié)束。生命周期清單(LifeCycle Inventory, LCI)數(shù)據(jù)模擬了材料生產(chǎn)周期(從原材料提取到交付，再到最終使用地點(diǎn))產(chǎn)生的二氧化碳排放量。

然而，目前的LCA方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠精確和完整，特別是在集成電路方面。最新公布的關(guān)于芯片制造中使用的氣態(tài)平衡和能量流的信息，針對(duì)的是32納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)--這是2010年代的主流技術(shù)。

績(jī)效表現(xiàn)，將可持續(xù)性納入其中

2018年，應(yīng)用材料公司創(chuàng)辦了“可持續(xù)發(fā)展卓越設(shè)計(jì)中心”，以引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)探索更清潔、更環(huán)保的制造方法。通過(guò)創(chuàng)建數(shù)字模型，能把新的想法應(yīng)用到現(xiàn)有的產(chǎn)品中。模擬晶圓加工過(guò)程中的能源和化學(xué)物質(zhì)用量，并以二氧化碳排放當(dāng)量為單位來(lái)呈現(xiàn)。這樣一來(lái)，可以以真實(shí)全面的觀點(diǎn)來(lái)表現(xiàn)我們的減排措施所產(chǎn)生的效果。

2021 年，三星在內(nèi)部績(jī)效評(píng)估中增加了一個(gè)可持續(xù)性類別，以激勵(lì)管理層和員工在各個(gè)領(lǐng)域全面貫徹可持續(xù)性要求。隨著我們繼續(xù)在各個(gè)領(lǐng)域推廣可持續(xù)性實(shí)踐，我們計(jì)劃發(fā)展并完善可持續(xù)性類別項(xiàng)目，以確保評(píng)估和薪酬的公平性。

第三方可再生能源生產(chǎn)商

此外，對(duì)于能源來(lái)講，我們不得不提到可再生能源，比如從晶圓廠附近的第三方可再生能源生產(chǎn)商購(gòu)買電能和利用工廠內(nèi)部安裝的太陽(yáng)能發(fā)電等。以意法半導(dǎo)體在摩洛哥的工廠為例，那里裝了很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)，目前已經(jīng)能為整個(gè)工廠提供 50% 的電力，而下一個(gè)目標(biāo)是讓這個(gè)比例提升至90%，此外在摩洛哥廠區(qū)停車場(chǎng)上還建有最大的私有太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，確?？稍偕茉吹陌踩┙o，當(dāng)然必要的時(shí)候還是需要從外部采購(gòu)可再生能源。

再用、回收

可再生能源不止是水、電，還包括非常重要的垃圾管理策略。垃圾管理策略的基礎(chǔ)是減量、再用、回收、消除和處理。事實(shí)上，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個(gè)生態(tài)圈，有時(shí)候晶圓廠自己做到了盡量的節(jié)能減碳，但是其外部利益相關(guān)者在這個(gè)問(wèn)題上的成熟度其實(shí)不是均衡分布的，所以需要整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)同合作。

生產(chǎn)與節(jié)能并重

在全球缺芯的浪潮下，芯片行業(yè)不但面臨極大的制造需求，同時(shí)減少碳排放，采用再生能源也十分重要。在《巴黎協(xié)議》簽署五周年之際，中國(guó)向世界宣示了2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)碳中和的國(guó)家目標(biāo)。

在半導(dǎo)體幫助低碳的同時(shí)，我們同樣關(guān)注半導(dǎo)體制造的過(guò)程。不同國(guó)家都在努力，關(guān)注擴(kuò)大運(yùn)營(yíng)規(guī)模的同時(shí)減少排放。

聲明：本文版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)發(fā)僅為更大范圍傳播，若有異議請(qǐng)聯(lián)系我們修改或刪除：zhangkai@cgbtek.com