芯片是现代科技和信息社会的基石,它决定了一个国家在高端制造、人工智能、云计算、物联网等领域的竞争力和发展的潜在能力。然而,芯片的制造并不是一件容易的事情,芯片制造是一个高科技、高投入、高回报的行业,也是一个高能耗、高污染、高风险的行业。随着芯片技术的慢慢的提升,芯片制造厂面临着慢慢的变大的能源消耗,即使是工业强国,也不一定能够承担起建设和运营芯片制造厂的成本和风险,尤其是在制程越来越高级,耗电量慢慢的变大的情况下。
芯片制造厂的能耗大多数来源于于两个方面:一是设备的运行,二是工厂的维护。设备的运行包括了各种半导体制造设备,如光刻机、蚀刻机、镀膜机等,以及各种辅助设备,如真空泵、冷却水系统、空气净化系统等。工厂的维护包括了工厂建筑本身的能耗,如空调、照明、电梯等,以及工厂内部的物流和管理系统。
根据不同的制程工艺,芯片制造厂的能耗有很大的差异。制程工艺是指芯片上晶体管的尺寸和结构,通常用纳米级别的数字来表示,如10nm、7nm、5nm等。制程工艺越先进,意味着晶体管越小,集成度越高,性能越强,功耗越低。但是,制程工艺越先进,也代表着制造难度越大,设备成本越高,能耗越大。
以光刻机为例,光刻机是芯片制造中最重要也最昂贵的设备之一,它利用特定波长的光线,在晶圆上刻画出电路图案。随着制程工艺的发展,光刻机需要用更短波长、更强功率、更精密控制的光源,如极紫外光(EUV)。EUV光刻机每台耗电量约为1000万瓦,约为前几代设备的10倍。而且,在光刻过程中,由于光线反射和散射等原因,只有不到2%的光线%的光线转化为热量,需要大量的冷却系统来散热。因此,EUV光刻机不仅需要大量的电力来激发光源,还需要大量的电力来冷却设备。
全球最大的芯片代工厂台积电在2021年全球能源消耗量为191.9亿度,相当于深圳市全年居民用电量。而随着3nm、2nm等更先进制程的量产,台积电预计到2025年将占中国台湾省整体能源消耗的12.5%,远高于2021年时的6%。其他芯片制造厂也面临着类似的情况。
除了电力之外,水资源也是芯片制造厂不可或缺的要素之一。芯片生产的全部过程中需要大量的超纯水来清洗晶圆、冷却设备、稀释化学品等。据估计,一个8英寸(200毫米)晶圆厂每天需要消耗约20万吨(200,000立方米)的水,相当于8万多个美国家庭一天的用水量。而一个12英寸(300毫米)晶圆厂每天则需要消耗约60万吨(600,000立方米)的水,相当于24万多个美国家庭一天的用水量。这些水资源不仅需要高质量和高标准,还需要持续和稳定的供应,否则就会影响芯片的质量和产量。
芯片制造厂是一种高能耗、高投入、高风险的产业,它对电力和水资源的需求非常巨大。即使是工业强国,也不一定能够养得起芯片制造厂,尤其是在制程越来越高级,耗电量慢慢的变大的情况下。芯片制造厂的建设和运营需要有明确的目标、规划和策略,不能盲目追求制程的提升,而要考虑资源的可持续性和效率。这也就是为什么每次印度计划想要建造7nm芯片制造厂遭到众人嘲笑的原因。不同的是,我国的工业实力很强大,先进制程的芯片制造厂所需的能源,我国不缺,缺的只是目前有关技术没有突破,造不出来EUV光刻机,但这也只是时间问题,假以时日,我国肯定是可以造出自主产权的光刻机的!
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