台積電5nm製程獨步天下 隨之而來的一年用電量有多少?

台積電去年成為全球第一個量產EUV製程的半導體製造廠。路透
台積電去年成為全球第一個量產EUV製程的半導體製造廠。路透

台積電去年成為全球第一個量產EUV製程的半導體製造廠,用在台積電的7nm奈米、5nm奈米製程上,也帶領台積電在半導體技術上甩開了英特爾、三星,成功獲得許多訂單。不過,就在他們股票節節高昇的時候,其實用電量也跟著高昇。

目前半導體製程的主流光源是氬氟雷射,波長為 193 nm,當電晶體尺度已微縮到幾十奈米時,就像用一支粗毛筆寫小字一般力不從心。而極紫外光的波長僅有 13.5 奈米,這也使得 EUV光刻機成為了晶片廠攻克7nm、5nm甚至更高製程工藝的關鍵。

但是這個EUV光刻機除了售價高昂之外,其耗電也是非常之驚人。因為極紫外光本身的損耗過大,在過程中非常容易被吸收,因此整個生產環境必須抽成真空,更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。

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。

根據天下報導,台積18廠的EUV設備投入量產之後,台南園區的用電量就暴增,不但在去年底首度超越新竹園區,今年6月更創下153萬瓩的歷史新高,較去年同期大增了25%。原先台積電設定2019年單位產品用電量目標,要較基準年(2010年)降低11.5%,但是在2019年台積不但沒有達標,反而還較基準年大幅上升17.9%。

而台積電企業社會責任報告書中顯示,在去年2019年一年,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%。由此也可以看出,台積電在製程上的進步,必須要以用電量來換取代價。

而與此同時,台積電也積極推再生能源,並且持續提升能源使用效率。台積電日前宣布加入全球再生能源倡議組織(RE100),成首家加入RE100倡議的半導體公司。台積電承諾,到2050年,將100%使用可再生能源。

就在上個月,台積電已經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。而台灣在2019年綠色能源的發電量為140億度,對照台積電去年全球用電量就高達143.3億度,計算下來還不夠台積電一家的使用量。

而在台積電繼續追求3nm製程的情況下,台電也預估,台積電南科3nm新廠一年耗電量約70億度,由此可預期,2022年3nm量產後,用電量還會大幅成長。

《原文刊登於合作媒體T客邦,聯合新聞網獲授權轉載。》

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