梦幻技术「吓死人」,台积电新厂用电超越整个东台湾

梦幻技术「吓死人」,台积电新厂用电超越整个东台湾

全台湾用电过去 5 年的增加量,约三分之一由台积电贡献。接下来,随着导入「救世主」技术──EUV 微影技术,用电还会暴增。台积电评估,5 奈米製程用电会是目前主流製程的 1.48 倍。

很多人都忘了,台积电董事长张忠谋曾在 2 年前準确预言今日的缺电危机。

2015 年底,当时的总统马英九到参观台积电中科厂。当时张忠谋便指出,目前台湾最大的隐忧之一就是缺电,他并指出台湾 2017 年可能面临限电危机,「这对产业影响相当大」。

其实,过去一段时间,张忠谋几乎每次公开发言,都会提到「电」。他到底在担心什幺?答案就藏在今年 1 月 18 日,环保署通过的台南科学园区扩建案的环境差异影响评估里头。

因为台积电计划于 2020 年量产的 5 奈米製程,决定放在南科厂,导致南科的用水、用电量暴增,大幅超过当初园区的规划量,因此依法得做环境差异影响评估。

用电增幅狂飙 46%

其中,用电增幅极为惊人,从原本规划的 152 万瓩,增加至 222 万瓩,大幅增加 46%。

根据南科管理局提供给环保署的文件,台积电的 5 奈米製程,估计用电量 72 万瓩,几乎与南科申请新增的用电功率相当。

半导体的製造,本来就是高度耗电的过程。儘管台积电每年花费偌大人力、心力节省电力,但仍改变不了,採用各种先进科技及複杂化学品的晶圆厂、同时也是吃电大怪兽的事实。

根据台积电企业社会责任报告书,2016 年用电量为 88.53 亿度,较前一年增加 11%。

结果是,过去 5 年间,台积电大举扩产,股价与业绩一再创下新高之际。总体用电量也增加 102%,整整翻了一倍有余。

「救世主」技术上线,却是吓死人地耗电

台积电也因此成为台湾用电成长的主要「贡献者」之一。

根据能源局统计资料,同时间全台湾工业部门的用电仅增加 6%。而这个增加量当中超过一半是台积电贡献。

全台湾用电量,过去 5 年的增加量当中也有 33.6%,差不多三分之一的增加量由台积电贡献。

而且,在可预见的未来,这家世界级半导体天王每年用电增加的幅度,只怕还会加速扩大。因为半导体製程技术,又到了改朝换代时刻。

台积电预计 2019 年量产的 7 奈米製程的第二版本──7 Plus,部分製程将首度导入极紫外光(EUV)微影製程,这是半导体产业期待已久的「救世主」技术。

极紫外光的波长仅有 13.5 奈米,业界期望这支「超细字小楷」能够让摩尔定律再延伸至少 10 年。

洒百亿购入梦幻设备  足以买下两架 A380

今年 1 月,台积电 5 奈米案环差评估案通过的同一星期。独家生产 EUV 微影机台的荷兰商艾司摩尔(ASML)在法说会宣布,已接到 EUV 微影机台 6 部订单。根据《霸荣週刊》(Barron’s)报导,分析师推测,台积电订走了其中 5 台,亦即一口气买下 5.5 亿美元(约 167.8 亿台币)的设备。

这个价钱,几乎可以买下两台世界最大民航机──空巴 A380。

除了昂贵之外,但对台湾而言,EUV 这个「救世主」技术还有一个大缺点──耗电。

艾司摩尔至今尚未公布 EUV 机台的耗电功率,但世界第二大记忆体製造商、南韩的 SK 海力士曾在 2009 年的 EUV Symposium 表示,EUV 的能源转换效率(wall plug efficiency)只有 0.02% 左右。

这个数字现在广为业界引用。也就是说,当前最先进的 EUV 机台能输出 250 瓦功率的 EUV,需要输入 0.125 万瓩的电力,这个耗电量是传统氩氟雷射的 10 倍以上。

「要把光压到这幺短的波长,需要很强很强的能量,」庄子寿解释。

连冷却系统用电也不容小觑

事实上,过去几年,EUV 机台的输出功率过小,迟迟无法达到量产要求,是这个梦幻技术一再延误上市时机的主要理由。

台积电法说时,负责先进製程的共同执行长刘德音也常被分析师问到,他期待的 EUV 机台功率、量产速度各为多少?

在 5 年前,艾司摩尔试验机台的输出功率还仅有 25 瓦。但就在上个月,该公司达到历史里程碑。在旧金山的 2017 年 Semicon West 半导体设备展,艾司摩尔宣布,该公司已成功地将 EUV 光源功率提升到 250 瓦,晶圆生产速度因此达到每小时 125 片──这都是台积电、英特尔等大客户之前提出的量产最低要求。现有的微影系统量产速度为每小时 200 片以上。

为什幺提升功率这幺难?

曾与台积电合作 EUV 光源研究的台大电机系教授黄昇龙解释,主要是卡在散热问题。他在台大的 EUV 实验机组,输出功率仅有毫(千分之一)瓦等级,水冷系统整个架起来就有一个房间这幺大。晶圆厂的 EUV 量产系统输出功率是台大的上万倍,要怎样将热导出去,是很複杂的技术难题。而且,「冷却系统也得耗上不少电,」黄昇龙说。

EUV 称为「极紫外光」,但物理特性与一般常见的紫外光差异极大。

首先,这种光非常容易被吸收,连空气都不透光,所以整个生产环境必须抽成真空;同时,也无法以玻璃透镜折射,必须以硅与钼製成的特殊镀膜反射镜,来修正光的前进方向,而且每一次反射仍会损失 3 成能量,但一台 EUV 机台得经过十几面反射镜,将光从光源一路导到晶圆,最后大概只能剩下不到 2% 的光线。

这也是 EUV 机台如此耗电的主因之一。

为了确保供电,台积电曾考虑自盖电厂

然而,半导体除了最核心的微影,还有蚀刻、蒸镀、平面化等多道製程。导入高耗电的 EUV 光源,这道製程对于整厂的用电影响有多大?

这次南科新厂的环差评估过程,台积电主管出示的一张投影片,给了清楚的答案。

若以厂房单位土地规划用电来算,5 奈米製程用电是当今台积电的主流 28 奈米製程的 1.48 倍。也就是说,如果同样都是 40 公顷的厂区,2020 年量产的 5 奈米製程,总用电会是目前的一倍半。

去年 6 月,行政院长林全首度透露,台积电有意自盖电厂。这位分析师表示,当时台积电就是担心大量导入 EUV 光源的 5 奈米製程,南科电力系统无法负荷,直到台电出具供电保证,才打消念头。

一位台积电前主管表示,台积电的企业文化是高度专注本业,像自盖电厂这类事,「过去根本连想都不会想,会去考虑这件事,就表示缺电非常严重。」

但接下来更耗电的的 3 奈米製程,便传出台积电有意设厂美国,除了土地与环评,电力稳定度也是考量因素之一。

在第二季法说会上,台积电共同执行长刘德音表示,3 奈米的选址决定明年上半年将会正式决定,目前仍是以台湾为优先。