半導體污染悖論，你想不到的台積電與英特爾的碳排放

2022年07月14日12:49:19 熱門 1690

最近，由於比利時政府提高了過氟化物的環保排放標準，佔全球產能80%的冷卻劑製造工廠3M被責令「無期限關閉」。半導體生產造成的環境污染與全球低碳的目標一直有衝突，而這次的無期限關閉只是半導體生產與環保衝突的一個極端縮影。

高科技，高污染？

半導體工業是能源、水、化學品和原材料的資源密集型產業。在製造過程中，會產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。半導體繁複的製程導致了半導體製造工業的特殊性,其生產線所產生的廢棄物如不妥善處理,將對外圍自然環境造成難以挽回的負面影響。

隨着全球對硅芯片的旺盛需求，從智能手機、平板、新能源汽車與智能傢具等各種產品中都需要硅芯片。但現在的半導體行業出現了一個悖論：全球環保目標需要依靠半導體實現，但芯片本身的製造卻造成了環境污染。

巨大的耗電量

芯片製造業是一個巨大的資源消耗型行業，芯片製造工藝繁多，從硅片製造、芯片設計、晶圓製造再到封裝測試，前前後後所需進行的工藝程序不下上千步，其中，不少製造工序對用電量都有巨大的需求。

根據台積電發表的《台積公司2020年度氣候相關財務揭露報告》，2020年，台積電的用電量為169億度，比2019年增長了18%，超過整個台北市的用電量。而中國台灣全年的用電量為2710億度，相當於台積電一家就消耗了中國台灣近6%的電力。預計到2022年，這個數字將上升至7.2%。

而中國台灣明確在2025年前棄核，其發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%的目標下，中國台灣電力公司建設煤電機組也被民眾投訴污染。

吞水巨獸

半導體產品在製造過程中需要依賴大量的水源，尤其是半導體製造要使用超純水（Ultrapure water），而製作超純水的過程要使用幾倍的自來水，用水量相當驚人。

半導體生產到底需要多少水？數據顯示，在產能在4萬片每月的200mm晶圓廠中，一天用水量約為8000到10000 噸，其中70%是用來生成超純水。但是到16nm，7nm工藝，同樣產能為4萬片的12英寸晶圓廠，每天用水量大概是20000噸。

台積電新竹、中部、南部三個廠區每日用水量分別為5.7萬噸、5.4萬噸和8.2萬噸。儘管台積電已實現86%的廢水回收利用率，平均每升水可重複利用3-4次，但仍然消耗巨大。2020年台積電消耗了約7000萬噸水，2021年中國台灣又遭遇了半個世紀以來最嚴重的乾旱。為了保住「用水大戶」半導體產業，中國台灣採取多種措施，如抽取地下水、休耕停灌大量農田等，自此台積電的用水問題成為了一個有爭議的話題——芯片製造商與農民爭奪水資源。

廢棄物排放

在美國，英特爾位於亞利桑那州奧科蒂洛的 700 英畝園區在去年前三個月產生了近 15000 噸廢物，其中約 60% 是危險的。它還消耗了 9.27 億加侖淡水，足以填滿大約 1400 個奧林匹克游泳池，並使用了 5.61 億千瓦時的能源。

哈佛研究員Udit Gupta和合著者在 2020 年的一篇論文中寫道，「芯片製造占電子設備碳排放的大部分，而不是能源消耗或硬件使用。」

不同企業推出不同環保措施

近年來，包括美國、日本、韓國、中國等國家和地區相繼公布實現碳中和的時間，歐盟和美國的目標都是到 2030 年實現凈零碳排放，到2050年實現凈零排放。

隨着半導體行業的發展，其碳足跡也會隨之增長。可再生能源的更大可用性正在幫助芯片製造商減少碳足跡。

英特爾承諾到 2030 年從可再生能源中獲取 100% 的能源，2017 年，英特爾設立了新的環保目標——到 2025 年，其全球用水實現 100% 回收再利用，並在目前取得一定進展。

英特爾正在穩步推進實現 2020 年溫室氣體排放目標——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度比 2010 年下降了 20%。

台積電承諾到2050年從可再生能源中獲取 100% 的能源。台積電在中國台灣50多年來最嚴重乾旱時期做出來承諾，設定了廢物管理策略與目標——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40萬噸/年。

台積電成立ESG指導委員會，由董事長劉德音領銜，多部門高管在內，負責長期可持續發展規劃。該委員會成立於 2020 年，並誓言該公司將在 2050 年之前實現碳中和——即在全球運營中採用 100% 可再生能源。

SK海力士將運用生命周期評估系統(Life Cycle Assessment,簡稱LCA) ,評估和改善產品在其整個生命周期內的耗水量和環境影響。2021年，SK海力士將爭取從一些老舊廢水處理設備處理排放的廢水整合到更先進的綜合廢水處理設備，改善排放水的質量。

目前,SK海力士將法定標準中主要水質指標——生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand, 簡稱BOD)控制在國家標準的10%以內(國家標準30mg/ 、公司標準2.4mg/ ),並仍在繼續加大投入和維護力度。

全球知名的功率半導體企業英飛凌更在2020年率先承諾實現碳中和，並制定「有約束力的減排目標」：到2025年將二氧化碳排放量較2019年降低70%，到2030年實現碳中和。

在碳中和政策下，半導體應該如何發展？

中國半導體行業協會副理事長、集成電路分會理事長葉甜春表示:「目前中國製造業全球規模最大，作為世界工廠，大量能源被消耗，每個環節都有加強資源管理的空間。」

我國接連發佈了兩份與「雙碳」相關的文件，指明了未來綠色低碳發展方向，即二氧化碳排放力爭於2030年達到峰值，並努力爭取2060年實現碳中和。這一目標需要包括半導體企業在內的所有行業共同努力。

未來集成電路的生命周期評估

減少資源佔用可能還會保證業務的連續性--例如，如果涉及到稀缺的材料—也許會給公司帶來競爭優勢。如今，許多公司依靠諸如生命周期評估(LCA)等方法來評估產品的環境影響，從材料採購到壽命結束。生命周期清單（LifeCycle Inventory, LCI）數據模擬了材料生產周期（從原材料提取到交付，再到最終使用地點）產生的二氧化碳排放量。

然而，目前的LCA方法還遠遠不夠精確和完整，特別是在集成電路方面。最新公布的關於芯片製造中使用的氣態平衡和能量流的信息，針對的是32納米技術節點--這是2010年代的主流技術。

績效表現，將可持續性納入其中

2018年，應用材料公司創辦了「可持續發展卓越設計中心」，以引領半導體行業探索更清潔、更環保的製造方法。通過創建數字模型，能把新的想法應用到現有的產品中。模擬晶圓加工過程中的能源和化學物質用量，並以二氧化碳排放當量為單位來呈現。這樣一來，可以以真實全面的觀點來表現我們的減排措施所產生的效果。

2021 年，三星在內部績效評估中增加了一個可持續性類別，以激勵管理層和員工在各個領域全面貫徹可持續性要求。隨着我們繼續在各個領域推廣可持續性實踐，我們計劃發展並完善可持續性類別項目，以確保評估和薪酬的公平性。

第三方可再生能源生產商

此外，對於能源來講，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商購買電能和利用工廠內部安裝的太陽能發電等。以意法半導體在摩洛哥的工廠為例，那裡裝了很多風力發電機，目前已經能為整個工廠提供 50% 的電力，而下一個目標是讓這個比例提升至90%，此外在摩洛哥廠區停車場上還建有最大的私有太陽能發電設備，確保可再生能源的安全供給，當然必要的時候還是需要從外部採購可再生能源。

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是減量、再用、回收、消除和處理。事實上，半導體產業是一個生態圈，有時候晶圓廠自己做到了盡量的節能減碳，但是其外部利益相關者在這個問題上的成熟度其實不是均衡分佈的，所以需要整個生態系統內的協同合作。