“缺電”或成最大威脅! 台積電3nm工廠年耗電量將達70億度​

日前媒體報導稱,台積電已經成功開發了2nm工藝,而2nm工廠預計將落腳於新竹科學園區寶山園區,且台積電也持續積極佈局2nm以下的先進製程,傳聞可能會在高雄設廠。至於2nm的進度,消息稱台積電將在2023年上半年進行風險生產,2024年開始批量生產。

不過,台積電對此消息回應稱,目前已投入2nm製程技術研發,不過,尚無具體量產時間。

台積電過去約每2年推進一個世代製程技術,今年下半年5nm製程大量生產,3nm預計2022 年下半年量產(資料顯示,台積電3nm工藝比5nm工藝的晶體管密度高70%,性能提高15%,功耗降低30%)。因此,外界推測,台積電2nm大約會在2025 年之前量產。

與此同時,根據經濟部能源局公告顯示,2022年到2023年應備總供電容量增加近100萬千瓦,2024年到2025年進一步大增257.6萬千瓦。由於台積電是用電大戶,從台灣供電容量的增加幅度來看,外界猜測,台積電2nm製程有望於2025 年前量產,與台灣用電負載激增時間吻合。

台積電:台灣最大的耗電大戶

根據世界能源署統計,2012年台灣人均年耗電量已經達到約10800千瓦時,超過日本、韓國,成為亞洲非產油國家和地區人均耗電量之最。而2014年中國大陸的人均年耗電量才4740千瓦時,不到台灣地區2012年的一半。

不過以上數據可能與台灣公佈數據存在一些出入。根據台電統計數據顯示,2012年民生用電售電量576.45億度,工業用電1176.48億度。截至2012年底,台灣人口約2331.58萬人。以此數據來估算,台灣的人均年耗電量約為7518度。

根據台電公司統計的數據顯示,2018年台灣全年用電量達2191億度。而2018年底,戶籍登記人口則為2358.9萬人。按照此數據來計算,2018年,台灣人均年耗電量已經超過了9288千萬時,遠超冰島等人均耗電量排名靠前的國家。

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△根據美國中央情報局2016年的數據顯示,雖然中國電力產量居世界首位,但人均能源消耗量居世界第63位。而人均耗電量最多的國家則是冰島,達到了5777千瓦時。

而台灣人均年耗電量如此之高的關鍵原因則是,台灣龐大的半導體產業消耗了大量的電能,導致台灣的人均年耗電量“被平均”了。

而在台灣半導體廠商當中,台積電一直都是最大的用電大戶,幾年之前,台積電的用電量就佔據了全台灣用電量的5%以上。

根據台積電企業社會責任報告書,2016年台積電用電量就已高達88.53 億度,較前2015年增加了11%。當時台積電僅在竹科的Fab耗電功率已經超過72萬千瓦。

2019年,包括台灣廠區、WaferTech、台積電(中國)、台積電(南京)、採鈺公司,台積電全球能源消耗量為143.3億度,比五年前增加了54.12億度,近五年每年平均年增長率12.5%。資料顯示,過去五年,全台灣增長的電量,其中1/3都被台積電給消耗了。

先進製程產線最為耗電:一台EUV光刻機,一天耗電3萬度?3nm工廠年耗電量將達70億度

台積電造的每一顆芯片需要經過數千道工序才能完工,而這其中需要利用大量的半導體設備,並一直維持恆溫、高壓等各種複雜環境,這一切都需要電,造的芯片越多、製程越先進,用的電就越多。

數據顯示,先進製程機台用電量佔台積電公司能源使用50%以上,同時考慮先進製程機台數量逐年增加,台積電對於電能的消耗將進一步快速增長。

由於7nm以下的先進工藝製程必須要使用EUV光刻機,而EUV光刻機的大量使用將會對台灣的供電能力提出巨大挑戰。

SK 海力士此前曾表示,“EUV 的能源轉換效率(wall plug efficiency)只有0.02% 左右。”而造成轉換率低的一大原因是,極紫外光本身的損耗過大。

“極紫外光物理特性與一般常見的紫外光差異極大。這種光非常容易被吸收,連空氣都不透光,所以整個生產環境必須抽成真空;同時,也無法以玻璃透鏡折射,必須以矽與鉬製成的特殊鍍膜反射鏡,來修正光的前進方向,而且每一次反射仍會損失3 成能量,但一台EUV 機台得經過十幾面反射鏡,將光從光源一路導到晶圓,最後大概只能剩下不到2% 的光線。”這也是EUV 機台如此耗電的主因之一。

如果按照前面的EUV能源轉換效率只有0.02% 來計算,目前先進的能輸出250 瓦功率的EUV的機台,需要輸入0.125萬千瓦的電力才能達到,這個耗電量是傳統氬氟雷射的10倍以上。換句話來說,就是一台輸出功率250W的EUV機器工作一天,將會消耗3萬度電,這個數字確實嚇人。

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根據芯智訊了解,要想達到250 瓦功率的EUV輸出,需要將多台13kW CO2激光器串聯接通達到所需的功率要求,最終從等離子體源產生所需的EUV光輸出。高科技產生極紫外光的過程非常低效,過去被人們比擬為“用核反應堆提供動力”,但也成為了滿足半導體工業批量生產要求擴展EUV輸出功率的唯一可行方式。

另外需要指出的是,如此大的耗電量也不可避免的帶來了很大的發熱量,因此需要部署相應的冷卻系統,而這也將非常的耗電。

根據今年7月媒體的報導稱,隨著台積電5nm的大規模量產,台積電今年的單位產品用電量相比去年上升了17.9%,而該公司擬定的目標則為降低11.5%。台媒稱,以執行力著稱的台積電管理團隊,如此大幅落後設定目標,是極罕見的事。

台積電對此解釋稱,隨著新製程技術與製程複雜度增加,新製程機台用電量上升,導致10nm以下製程產品用電量較16nm以上的製程倍增。有分析稱,極可能是EUV導入的速度與量產之後的耗電量超乎預期。

根據預計,一個7nm的EUV產線可能只需要1台ASML EUV光刻機NXE 3400B即可,但是到了3nm製程產線,如果繼續用NXE 3400B,就可能需要4台才能實現,耗電量將更為驚人。

不過,ASML也正在提升光刻機的效率,比如已推出的改進的NXE:3400C的產能從之前的125WPH(每小時處理晶圓數)提升到了175WPH,同時還將推出針對3nm及以下製程的EXE :5000系列EUV光刻機。希望屆時新的EUV光刻機能夠進一步提升能效比。但是,單機的能耗恐怕難以實現大幅的降低。

根據之前的預測,台積電3nm半導體製造廠開啟後,預計年耗電量將達到70億度。而等到2nm製程Fab的量產,其耗電量必然將再度上升到一個新的台階,未來台積電的用電量將有可能超過台灣總電量的10%。

“缺電”或成台灣半導體產業發展掣肘

需要指出的是,由於台灣的煤炭、石油、天然氣、水利資源都比較匱乏,這也導致了台灣所需的能源99%需要靠進口。更為關鍵的是,在2011年日本大地震導致日本福島第一核電站發生洩露之後,台灣就開始逐步“去核化”,這也進一步加重了台灣的能源危機。

當時的民進黨主席蔡英文為了獲得支持率,就拋出了“2025非核家園計劃”,強調如果贏得“總統”大選,將最終在2025年完全停止核能發電。蔡英文當選之後,2017年2月,立法院正式通過的相關條文明確,核能發電設備應於2025年以前全部停止運轉,以實現蔡英文提出的“2025非核家園”目標。

“缺電”或成最大威脅! 台積電3nm工廠年耗電量將達70億度​-尋夢新聞

按照“2025非核家園”的規劃,到2025年台灣天然氣發電佔總發電比例的50%,燃煤30%,綠色能源20%。而根據台電所發布的報告顯示,2016年台電系統發、購電量為2258億度,其中火力發電量佔比達79.9%,再生能源佔比為5.1%,抽蓄水力1.5%,核能為13.5 %。而2016年台電備用容量率僅10.4%。考慮到未來台灣用電的增長,要在完全退出核能的同時,實現2025年“2025非核家園”的規劃目標幾乎是不可能。

在通過“2025非核家園”目標數月之後,2017年8月15日,台灣發生全島性大規模停電,受影響家庭近700萬戶(幾乎是台灣全部人口)。而為了保護台灣的支柱產業——半導體產業,當地政府將當晚殘存的電力全都供給了三大科學園區的半導體Fab廠,這才使得全球最大的晶圓代工廠台積電在這次停電中毫髮無傷。但這也著實讓當地政府及台積電大驚一場。要知道,一座先進製程的半導體產線停電幾小時就有可能造成數千萬美元的損失。

為了緩解日益緊張的用電危機,2018年11月,台灣“以核養綠”公投過關,廢止了2025年核能發電設備全部停止運轉的期限,這也使得2018年台灣核能供應相比2017年有所增加。但是蔡英文政府仍強調,非核家園仍是目標。

根據統計數據顯示,2018年能源供給總量為1.28億噸油當量,以化石能源為主,佔92.8%,非化石能源僅佔7.2%。化石能源中,石油供給總量為6170萬噸油當量,佔能源供給總量的48.3%,煤炭3755萬噸油當量,佔29.4%,天然氣1940萬噸油當量,佔15.2%。2018年非化石能源消費中,核能供給量很大,為688萬噸油當量,佔能源總供給的5.4%。其他能源品種:生物質及廢棄物僅佔1.1%,水電佔0.3%,太陽能和風能分別佔0.2%和0.1%,地熱能佔比極小。

截至2018年底,台灣累計發電裝機容量52.44GW,以化石能源發電為主,煤電裝機19.35GW(36.9%),氣電裝機16.68GW(31.8%),燃油發電裝機3.08GW(5.9%) ,非化石能源發電裝機13.33MW(25.4%)。2018年,台灣地區發電量為2755.8億千瓦時,其中化石能源發電佔比84%,非化石能源發電佔16%(其中大部分仍為核能)。

從數據來看,台灣目前的發電主要還是以燃煤、燃氣發電為主,而這些能源則主要依賴於進口。其中,石油供應消費全部依賴進口,3/4來自中東;煤炭消費全部依賴進口,約1/2來自澳大利亞;天然氣消費絕大部分依賴進口,1/2來自亞太。相比之下水電、太陽能、風能佔比則很小。而隨著核能的逐步退出,以及半導體產業對於電力需求的快速增長,台灣的能源供需尤其是電力供需矛盾未來將會日益突出。

“缺電”或成最大威脅! 台積電3nm工廠年耗電量將達70億度​-尋夢新聞

△台灣99.4%的天然氣依賴於進口

早在2015年底的時候,馬英九到參觀台積電中科廠,當時台積電董事長張忠謀就指出,“目前台灣最大的隱憂之一就是缺電”,並預言台灣2017年可能面臨限電危機。張忠謀當時在接受采訪時就表示,停電對於台積電的影響“幾乎不可估計”。雖然台積電每個廠都有備用電源,但是面對產線所需的巨大電能,備用電源在停電時也撐不了多久。如果台積電未來更為先進的3nm、2nm工廠出現停電,那麼後果更是不可想像。

而為了降低這方面的風險,台積電的近年來也在積極的多方佈局。

一方面,為了分散風險,同時更為貼近客戶。台積電近兩年開始積極在台灣以外建廠,比如早已量產的南京台積電廠和規劃中的美國5nm工廠。

另一方面,台積電也在積極推動“綠色製造”,通過系統設計和管理上的優化以及設備的改進來降低能耗。

台積電董事長劉德音11月底在3nm廠上樑典禮時曾說,新廠房設計之初已依據台灣與美國綠建築認證系統指標規劃,並持續推動節能、節水、減廢、減碳與生態保護等友善環境行動。

考慮到先進製程機台的數量和用電量的急劇上升,台積電也攜手機台設備商合作開發半導體“綠色機台”,並啟動新世代機台節能行動專案,估計今年將因啟用5nm節能機台省下2億度用電量。

台積電表示,還將展開能源用量管理、用電效能提升及生產流程高效化,以期能達成相同製程技術量產5年後,生產能效提升1倍的效果。

此外,台積電還曾提出過自建電廠的計劃,但是卻並未獲批。不過,台積電也在通過與第三方的電力公司合作,來降低對於官方電力供應系統的依賴。今年7月,台積電與風電公司沃旭簽署協議,承包其兩座風電場未來20年的發電量,預計每年將消耗34.5億度綠色電力。台積電希望未來其3nm工廠使用綠色電力佔比將達到20%左右。

今年7月,台積電還加入了全球再生能源倡議組織(RE100),成為全球第一家參加的半導體企業,承諾2050年前全球營運100%使用再生能源。不過,數據顯示,台灣地區2019年綠色能源發電量僅為140億度,還不夠滿足台積電一家的使用量。

而為了讓台積電能夠放心的在台灣建設3nm、2nm工廠,台灣地區經濟部長王美花近日也表示,由於台灣半導體、電子等產業持續增加,政府一定要先把環境做好,尤其電力整備要提前準備好,未來5年供電及備轉容量率都將持續增加,規劃2025年備載容量達17.2%。將會配合台積電的水電需求,以確保供應上沒有問題。

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