大型强子对撞机（LHC）可以将质子加速到接近光速并在碰撞中“粉碎”它们，从而模拟大爆炸后不到十亿分之一秒的情况，并可以验证空间是否隐藏了诸如额外的维度。 学术界的颠覆性问题。 是物理研究不可缺少的大型实验设备。

但据报道，面对欧洲日益严重的电力危机石油公司能耗管理系统，欧洲核子研究中心决定于11月28日关闭大型强子对撞机（LHC），比原计划提前两周，以节省电力。 CERN还发表声明称，大型强子对撞机的运行时间将在2023年再缩短20%。

LHC 位于人口约 20 万的日内瓦市附近。 它仅仅启动就需要12000千瓦的电力，运行时功率可达20万千瓦以上，相当于日内瓦市耗电量的三分之一。 确实很耗电。

但事实上，强子对撞机的功耗在芯片制造面前只能算是微不足道。

据统计，2021年，深圳全社会用电量将达到1103.4亿千瓦时，其中约15%的居民用电量约为165.5亿千瓦时。 2021年，台积电将消耗191.9亿千瓦时的电力，足够深圳1800万常住居民一年的用电量。

芯片的工艺越先进、能耗越低，其制造过程就越耗能。 如何解决这个悖论呢？ 先进的制造工艺消耗越来越多的电力。 对于半导体行业的追赶者中国来说意味着什么？

台积电的烦恼

作为全球最大的芯片制造公司，台积电还拥有全球最大的EUV光刻机。

据台湾科技媒体《数码时报》报道，台积电目前拥有超过 80 台 EUV 设备，预计到 2022 年底将达到 84 台。这个数字仍然遥遥领先于下一个三星——三星电子预测，今年年底将达到51台EUV，但EUV很大一部分必须由DRAM工厂使用，而三星在3nm工艺市场。 市场占有率低，EUV产能利用率不如台积电。

据了解，台积电生产了60%的EUV晶圆，EUV数量占行业50%。 而且，制造工艺越先进，台积电的市场份额就越高。 根据预测，2022年第四季度，台积电将贡献73%的EUV先进制程产能。 “台湾经济研究院”产业经济数据库主任刘培真也指出，台积电今年9月进入3nm量产阶段后，已获得全球近98%的市场份额在3nm工艺中。 台积电“吃干抹净”后，三星的3nm工艺只拿下了剩下的2%的市场。

EUV数量最多、产能最大、市场占有率最高。 “多管齐下”，台积电的用电量也是最高的。

EUV光刻机之所以耗电，主要是因为EUV光源的能量转换效率只有0.02%左右。 一台输出功率为250瓦的EUV光刻机需要输入12.5万千瓦电力，功耗是传统ArF光刻机的10倍。 没有转化为极紫外光的电能99.98%大部分都转化为热量而散发掉，而这又需要大量的电能来散热。

据统计，一台EUV的年耗电量可达1000万千瓦时，那么单台84台EUV设备就是8.4亿千瓦时。 电力消耗的一部分。 此外，还有数百台制造工艺成熟的DUV和一系列配套设备，这使得台积电每年的总耗电量冲至200亿千瓦时以上。

根据台积电社会企业责任报告，2016年台积电用电量仅为93.58亿千瓦时，2020年用电量已超过160亿千瓦时（有媒体也预估为169亿千瓦时，本文基于台积电公布的数据），占台湾总用电量的5.9%； 2021年能源消耗量为191.9亿千瓦时，约占台湾总量的7.2%。 预计2025年这一比例将上升至12.5%，约为八分之一。 高能耗下，台积电2020年碳排放总量接近1500万吨。

如此高的耗电量会影响台湾其他产业的发展吗？

如果将台积电的营收与台湾的GDP进行比较，2021年其营收为568亿美元，而当年台湾的GDP约为7727亿美元，台积电的营收约占台湾GDP的7.35%。 但这只是收入，还要考虑其带动影响。 据台积电统计，其上下游供应链和数百家客户，带动产值倍数达2.89倍，创造就业倍数达8.12倍。

再加上每年台湾数百万股东的交易税和股息税，以及数万名台积电员工缴纳的个人所得税（台湾员工的平均工资是台湾基本工资的四倍），台积电对台积电的贡献台湾所占的比例肯定大于其消耗的电力的比例。

不过，也有台湾媒体批评台湾“独爱半导体产业”，因为台积电外资持股高达73%左右，外资仍赚取更多利润，而且即使工资更高，台积电5万多名员工也仅此而已。占台湾就业人口1146万人。 0.4%。 《新报》2022年5月报道，直接批评其功耗过高：

台积电“圣山”背后的阴影是谁背负的？ 在土地面积狭小、能源资源有限的台湾，对于支撑这种高耗电、高耗水的晶圆产业造成了怎样的排斥？

当然，台积电也在寻找解决方案，例如推动低碳制造、使用可再生能源、提高能源效率等。 2021年，可再生能源发电总量将达到488万千瓦时，回应高能耗的指责。

2020年，台积电与 签署海上风电采购协议，装机容量为920MW，使用寿命为20年。 此外，台积电还积极建设太阳能发电厂，2021年新增231千瓦太阳能装机容量，并计划2022年再扩建200千瓦太阳能装机容量，但批评人士仍认为，与台积电经常加班的生产线相比、“太阳不会加班。”

虽然台积电包括其5纳米、3纳米工厂以及新竹研发中心都承诺使用20%的绿电，但预计绿电需求约为15亿千瓦时； 2019年，还宣布为大客户苹果公司生产的芯片将100%转为绿色电力生产。

然而，台湾的绿电还不够，对于缓解先进制造工艺的能耗仍是杯水车薪。

台积电2020年企业社会责任报告不得不承认，由于其主要运营和生产位于台湾，可再生能源的供应尚未达到欧洲和美国的充足程度。 因此，在产能不断增长的情况下，即使执行世界上最好的节能减碳标准，达到单位产品碳排放降低的目标，但仍然无法抑制整体的持续上升。碳排放量。

成熟的制造工艺是否也存在同样的能耗烦恼？

毕竟台积电专注于先进制造工艺。 EUV的能耗是DUV的十倍，晶圆制造的很多环节的整体功耗也更多。 那么，对于仍然专注于成熟工艺、为OEM厂商提供0.35微米到14纳米各种技术节点、并且没有EUV光刻机的中芯国际来说，能耗是否是一个问题呢？

根据中芯国际2021年年报，当年能源消耗总量为万千瓦时，约合28.88亿千瓦时； 能源消耗强度为12.77千瓦时/8英寸晶圆当量-掩模数量11.48千瓦时/8英寸晶圆当量-掩模数量，增长11.24%。

根据台积电2021年ESG报告，当年单位产品用电量为25.9千瓦时/12英寸晶圆当量光罩数量，略低于2020年26.7千瓦时/12英寸晶圆当量光罩数量虽然8英寸和12英寸晶圆对应的芯片产量不同，很难直接比较，但也可以看出先进工艺中单片晶圆的能耗更高。

2020年至2021年，台积电的能耗将分别是中芯国际的7.78倍和6.64倍，营收将达到中芯国际的十倍以上。 然而，先进工艺晶圆制造消耗更多电力并产生更高收入，因此很难直接比较台积电和中芯国际的能源消耗水平。 但我们可以做一个估算：在相同的营收规模下，由于代工价格较高，先进工艺晶圆的数量肯定少于成熟工艺晶圆。 因此，台积电的晶圆产量肯定不会是中芯国际营收的十倍。

据统计，2021年台积电月均晶圆产量将达到280万片，占据全球市场13%，仅次于月均晶圆产量405万片的三星，排名全球第二； 当晶圆总产量达到6,754,788片时，平均月产量562,900片仅为台积电的五分之一，全球份额为2.6%。

果然，2021年台积电将用中芯国际近7倍的功耗生产5倍多的晶圆，实现10.44倍的营收。

但作为一家基于成熟工艺的晶圆制造公司，中芯国际整体能耗仅略低于主打先进工艺的台积电，从功耗与晶圆的比例来看。

毕竟，光刻机的能耗只是晶圆制造的环节之一，消耗电力的环节和工序还有更多。 从原材料到成品芯片的整个过程通常需要85天，其中包括300多道独立工序。 完成这些工艺涉及的设备包括离子注入机、光刻步进机、沉积系统、氧化炉、蚀刻机等。此外，还有空气净化、超纯水制备、超净车间环境的维护等。

当然，近年来，为了降低能耗，中芯国际还采取了优化制冰机节能、新风系统节能、蒸汽节能等措施。 例如，中芯国际深圳工厂在冰水系统的11台制冰机上安装了节能控制系统、变频器、传感器等控制元件，优化制冰机系统的运行效率和工况。 节能改造后，年用电量有所减少。 8.5-10.2%，节电约296.87万千瓦时。

然而，对于庞大的半导体制造来说，数百万千瓦时的电力总比没有好。 这些复杂的半导体制造工艺中的每一步仍然消耗大量的能源，例如电力和天然气。 而这，无论工艺成熟还是工艺先进。 EUV光刻机某一环节带来的能耗增加十倍，并不意味着成熟工艺的整体环节可以节省更多的电量。

成熟的制造工艺也存在能源消耗的困扰。

电力也是半导体产业的竞争力

半导体制造的每个环节都需要高质量、高可靠的电源。 因为任何电源问题，例如停电或电压骤降，都可能扰乱晶圆生产线的运营，导致晶圆产量降低和批次浪费。

半导体制造工艺越先进，能耗越高的趋势是不可避免的。 目前，虽然可以从多方面优化能耗，但可降低的功耗仍然有限。

台北科技大学清洁技术中心利用其自主开发的能源模拟（FES）软件，根据台湾半导体制造工厂的需求和设备类型进行了五次模拟分析，以估算每种情况下可以节省多少能源：（ 1）更换FFU（风机过滤单元）电机或/和过滤器； (2)更换新风单元(MAU)风机； (3)拆下MAU内的加热线圈； (4)更换离心式冷水机组； (5)设定前四项调整同时进行。 最终发现各案例的节电率分别为1.39%（2951.02MWh）、0.25%（520.57MWh）、0.22%（460.93MWh）、1.91%（4044.59）和3.68%（7796.05MWh）。

也就是说，原本每年耗电数亿千瓦时的半导体工厂，经过如此精心的优化，最多只能节省779.6万千瓦时的电量。

当然，省一分钱就是钱。 麦肯锡报告《致晶圆厂》指出，晶圆厂往往更注重工厂的可靠性和稳定性，却没有将功耗优化到位。 一些晶圆厂甚至整个洁净工厂只有一台功率计，尽管它包含数十个功率密集型半导体器件，压缩机和空气过滤设备经常超负荷，冷水机使空调系统中的水过冷。

一般来说，一座晶圆厂每年消耗数亿千瓦时的电力，而且无论生产多少晶圆，都必须保持工厂的清洁环境，除非产线关闭。 然后，当芯片需求下降和晶圆产能下降时，每片晶圆的平均能源成本就会上升，并侵蚀代工厂的利润率。

对于台积电来说，不仅面临着芯片周期下降的趋势，还有电价上涨的问题。

今年6月底，台湾“经济当局”宣布，以燃油价格上涨为由，自7月1日起提高用电大户电价，其中高压电费上涨15%及工业领域特高压电力用户； 用电量超1000户 1000千瓦时以上居民用户将增长9%，影响约36万户居民用户； 平均电价由每千瓦时新台币2.6253元上涨至每千瓦时新台币2.8458元。

日前，娱乐圈因汪小菲不给大S交电费的事件闹得沸沸扬扬，很多人猜测这也与台湾电费上涨有关。

不过，对于降低晶圆厂能源消耗，麦肯锡在研究报告中提出的解决方案是“加人”——晶圆厂可以建立专业的能源管理团队。 麦肯锡认为，与许多每年消耗数千万美元电力的晶圆厂相比，却只聘用一名兼职工程师来管理能源； 能源管理团队与其他兼职专家一起寻找解决方案并负责能源效率的改进。

但事实上，“加人”不如“加设备”。 例如，将空调机组更换为更高效的型号，能量回收装置的冷却器产生的废热可用于加热水或工厂本身，并添加更多传感器来收集电力变化信息。 半导体设备企业也可以提供节能支持。 例如，应用材料公司声称，其提供的控制器和其他设备允许用户将预期空闲时间传达给工艺设备，以实现“空闲模式”，以降低生产线不同环节不同利用率下的能耗。 功耗最多可降低 10%。

半导体工厂的能源消耗不亚于煤化工、石化等重工业。

10月13日，台积电首席财务官黄仁照表示，此前预估的2022年资本支出目标为400亿至440亿美元，目前已下调至约360亿美元。 虽然这与半导体周期低迷有关，但台湾供电不稳定也将成为影响台积电决策的重要因素。

11月，中芯国际宣布将年度资本支出从约320.5亿元增加至456亿元，总计增加136亿元，主要用于支付长期交付设备的预付款。 中芯国际还在投资者互动平台上表示，公司未来五到七年在中芯深圳、中芯资本、中芯东方、中芯西青的建设项目中将拥有总计约34万条12英寸新建生产线。 圆形晶圆厂均专注于28nm及以上工艺制造。

从28nm到14nm，再到7nm、5nm甚至更低，中芯国际仍然面临着诸多挑战。 中国大陆的晶圆厂可能很难获得先进的光刻机，但他们拥有比台湾更稳定的电力供应。

2021年，中国发电量将达到81121.8亿千瓦时，美国发电量为41155.4亿千瓦时。 中国的面积几乎是美国的两倍。

当然，半导体产业需要光刻机以及各种半导体设备和材料，但也需要巨大的电力供应。 不管是否是绿电，前提一定是稳定、可靠，并且有价格优势。 毕竟，功耗在晶圆厂运营成本中所占的比例越来越大。 供应更加稳定的电力基础设施也是未来半导体行业竞争背后不可或缺的力量。

本文来自亿欧网

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