夢幻技術「嚇死人」,台積電新廠用電超越整個東台灣

作者 | 發布日期 2017 年 08 月 12 日 12:00 | 分類 晶片 , 核能 , 能源科技 follow us in feedly

全台灣用電過去 5 年的增加量,約三分之一由台積電貢獻。接下來,隨著導入「救世主」技術──EUV 微影技術,用電還會暴增。台積電評估,5 奈米製程用電會是目前主流製程的 1.48 倍。



很多人都忘了,台積電董事長張忠謀曾在 2 年前準確預言今日的缺電危機。

2015 年底,當時的總統馬英九到參觀台積電中科廠。當時張忠謀便指出,目前台灣最大的隱憂之一就是缺電,他並指出台灣 2017 年可能面臨限電危機,「這對產業影響相當大」。

張忠謀並隨後在媒體提問時指出,停電對於台積電的影響「幾乎不可估計」。他說,台積電每個廠都有備用電源,但備用電源的用電成本比起台電提供的電貴 3 倍,如果未來長期限電「這就很累了」。

其實,過去一段時間,張忠謀幾乎每次公開發言,都會提到「電」。他到底在擔心什麼?答案就藏在今年 1 月 18 日,環保署通過的台南科學園區擴建案的環境差異影響評估裡頭。

因為台積電計劃於 2020 年量產的 5 奈米製程,決定放在南科廠,導致南科的用水、用電量暴增,大幅超過當初園區的規劃量,因此依法得做環境差異影響評估。

用電增幅狂飆 46%

其中,用電增幅極為驚人,從原本規劃的 152 萬瓩,增加至 222 萬瓩,大幅增加 46%。

根據南科管理局提供給環保署的文件,台積電的 5 奈米製程,估計用電量 72 萬瓩,幾乎與南科申請新增的用電功率相當。

這個數字究竟有多大?根據台電資訊,東部用電量約在 40 到 50 萬瓩之間。也就是說,台積電一個新廠的用電量,將比整個東台灣 56 萬人口的用電量還多上不少。

半導體的製造,本來就是高度耗電的過程。儘管台積電每年花費偌大人力、心力節省電力,但仍改變不了,採用各種先進科技及複雜化學品的晶圓廠、同時也是吃電大怪獸的事實。

根據台積電企業社會責任報告書,2016 年用電量為 88.53 億度,較前一年增加 11%。

這個用電成長率,與台積電業績的成長高度符合。台積電董事長張忠謀在 2009 年重新接任執行長之後,每年法說會都向投資人保證,每年營收都會維持二位數成長,用電量也大致維持相同比例成長。

結果是,過去 5 年間,台積電大舉擴產,股價與業績一再創下新高之際。總體用電量也增加 102%,整整翻了一倍有餘。

「救世主」技術上線,卻是嚇死人地耗電

台積電也因此成為台灣用電成長的主要「貢獻者」之一。

根據能源局統計資料,同時間全台灣工業部門的用電僅增加 6%。而這個增加量當中超過一半是台積電貢獻。

全台灣用電量,過去 5 年的增加量當中也有 33.6%,差不多三分之一的增加量由台積電貢獻。

而且,在可預見的未來,這家世界級半導體天王每年用電增加的幅度,只怕還會加速擴大。因為半導體製程技術,又到了改朝換代時刻。

台積電預計 2019 年量產的 7 奈米製程的第二版本──7 Plus,部分製程將首度導入極紫外光(EUV)微影製程,這是半導體產業期待已久的「救世主」技術。

目前半導體製程的主流光源是氬氟雷射,波長為 193 奈米,當電晶體尺度已微縮到幾十奈米時,就像用一支粗毛筆寫蠅頭小字一般,生產起來有點力不從心。這也是近幾年,摩爾定律即將告終的聲浪不斷的主因。

極紫外光的波長僅有 13.5 奈米,業界期望這支「超細字小楷」能夠讓摩爾定律再延伸至少 10 年。

灑百億購入夢幻設備  足以買下兩架 A380

今年 1 月,台積電 5 奈米案環差評估案通過的同一星期。獨家生產 EUV 微影機台的荷蘭商艾司摩爾(ASML)在法說會宣布,已接到 EUV 微影機台 6 部訂單。根據《霸榮週刊》(Barron’s)報導,分析師推測,台積電訂走了其中 5 台,亦即一口氣買下 5.5 億美元(約 167.8 億台幣)的設備。

這個價錢,幾乎可以買下兩台世界最大民航機──空巴 A380。

除了昂貴之外,但對台灣而言,EUV 這個「救世主」技術還有一個大缺點──耗電。

有多耗電?「嚇死人!」台積電 300mm Fabs 廠務處資深處長莊子壽心有餘悸地說。他今年 3 月在一場記者會接受《天下》訪問時表示,他希望未來台積電 EUV 用得「愈少愈好」,「因為太貴了,用的電也太大了。」

艾司摩爾至今尚未公布 EUV 機台的耗電功率,但世界第二大記憶體製造商、南韓的 SK 海力士曾在 2009 年的 EUV Symposium 表示,EUV 的能源轉換效率(wall plug efficiency)只有 0.02% 左右。

這個數字現在廣為業界引用。也就是說,當前最先進的 EUV 機台能輸出 250 瓦功率的 EUV,需要輸入 0.125 萬瓩的電力,這個耗電量是傳統氬氟雷射的 10 倍以上。

「要把光壓到這麼短的波長,需要很強很強的能量,」莊子壽解釋。

連冷卻系統用電也不容小覷

事實上,過去幾年,EUV 機台的輸出功率過小,遲遲無法達到量產要求,是這個夢幻技術一再延誤上市時機的主要理由。

台積電法說時,負責先進製程的共同執行長劉德音也常被分析師問到,他期待的 EUV 機台功率、量產速度各為多少?

在 5 年前,艾司摩爾試驗機台的輸出功率還僅有 25 瓦。但就在上個月,該公司達到歷史里程碑。在舊金山的 2017 年 Semicon West 半導體設備展,艾司摩爾宣布,該公司已成功地將 EUV 光源功率提升到 250 瓦,晶圓生產速度因此達到每小時 125 片──這都是台積電、英特爾等大客戶之前提出的量產最低要求。現有的微影系統量產速度為每小時 200 片以上。

為什麼提升功率這麼難?

曾與台積電合作 EUV 光源研究的台大電機系教授黃昇龍解釋,主要是卡在散熱問題。他在台大的 EUV 實驗機組,輸出功率僅有毫(千分之一)瓦等級,水冷系統整個架起來就有一個房間這麼大。晶圓廠的 EUV 量產系統輸出功率是台大的上萬倍,要怎樣將熱導出去,是很複雜的技術難題。而且,「冷卻系統也得耗上不少電,」黃昇龍說。

整個 EUV 技術商用化的過程之艱辛、投入研發金額之鉅,堪稱半導體業的「登月計畫」。曾有業者估計,整個業界投入的研發經費超過 200 億美元(約台幣 6,100 億元)。

EUV 稱為「極紫外光」,但物理特性與一般常見的紫外光差異極大。

首先,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。

為了確保供電,台積電曾考慮自蓋電廠

然而,半導體除了最核心的微影,還有蝕刻、蒸鍍、平面化等多道製程。導入高耗電的 EUV 光源,這道製程對於整廠的用電影響有多大?

這次南科新廠的環差評估過程,台積電主管出示的一張投影片,給了清楚的答案。

若以廠房單位土地規劃用電來算,5 奈米製程用電是當今台積電的主流 28 奈米製程的 1.48 倍。也就是說,如果同樣都是 40 公頃的廠區,2020 年量產的 5 奈米製程,總用電會是目前的一倍半。

「而且,5 奈米應該只有一半製程用到 EUV,」一位外資分析師說。他表示,由於 EUV 技術極為昂貴,台積電仍只有在部分較難的製程才採用新技術。但到了在下一個世代,已經逼近摩爾定律極限的 3 奈米製程,EUV 採用比例就會大幅增加,用電量會進一步暴增。

去年 6 月,行政院長林全首度透露,台積電有意自蓋電廠。這位分析師表示,當時台積電就是擔心大量導入 EUV 光源的 5 奈米製程,南科電力系統無法負荷,直到台電出具供電保證,才打消念頭。

一位台積電前主管表示,台積電的企業文化是高度專注本業,像自蓋電廠這類事,「過去根本連想都不會想,會去考慮這件事,就表示缺電非常嚴重。」

但接下來更耗電的的 3 奈米製程,便傳出台積電有意設廠美國,除了土地與環評,電力穩定度也是考量因素之一。

在第二季法說會上,台積電共同執行長劉德音表示,3 奈米的選址決定明年上半年將會正式決定,目前仍是以台灣為優先。

(本文由 天下雜誌 授權轉載;首圖來源:科技新報)

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