EUV光刻机成延续摩尔定律关键！但，这耗电量堪比“比特币工厂”！

查看原文

其他

EUV光刻机成延续摩尔定律关键！但，这耗电量堪比“比特币工厂”！

2017-08-14 芯智讯

近日，比特币价格疯涨已破2.7万大关，创下历史新高！与此同时，“挖矿”业也是高烧不退。此前众多媒体曾曝光过很多“比特币工厂”，一些大的工厂，一小时耗电就高达数万度，令人咂舌。不过，今天我们要介绍的则是另一个耗电大户——芯片代工龙头台积电。

根据《天下杂志》报道，全台湾过去5年用电的增长量，约有1/3都是由台积电贡献的。而随着新一代的可生产5nm工艺的EUV （极紫外光）微影技术的导入，用电量还将会暴增，可达目前主流制程的1.48倍。这也或将导致整个台湾的用电荒！

台积电董事长张忠谋曾在 2 年前准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”。

张忠谋并随后在媒体提问时指出，停电对于台积电的影响“几乎不可估计”。他说，台积电每个厂都有备用电源，但备用电源的用电成本比起台电提供的电贵 3 倍，如果未来长期限电“这就很累了”。

用电增幅狂飙 46%

其实，过去一段时间，张忠谋几乎每次公开发言，都会提到“电”。他到底在担心什么？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 纳米制程，决定放在南科厂，这将导致南科的用水、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。

其中，用电增幅极为惊人，从原本规划的 152 万千瓦，增加至 222 万千瓦，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 纳米制程，估计用电量 72 万千瓦，几乎与南科申请新增的用电功率相当。

这个数字究竟有多大？根据台电信息，东部用电量约在 40 到 50 万千瓦之间。也就是说，台积电一个新厂的用电量，将比整个东台湾 56 万人口的用电量还多上不少。

半导体的制造，本来就是高度耗电的过程。尽管台积电每年花费偌大人力、心力节省电力，但仍改变不了，采用各种先进科技及复杂化学品的晶圆厂、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％。

这个用电成长率，与台积电业绩的成长高度符合。台积电董事长张忠谋在 2009 年重新接任执行长之后，每年法说会都向投资人保证，每年营收都会维持二位数成长，用电量也大致维持相同比例成长。

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。

根据能源局统计数据，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。因为半导体制程技术，又到了改朝换代时刻。

台积电预计 2019 年量产的 7 纳米制程的第二版本──7 Plus，部分制程将首度导入极紫外光（EUV）微影制程，这是半导体产业期待已久的“救世主”技术。

目前半导体制程的主流光源是氩氟雷射，波长为 193 纳米，当晶体管尺度已微缩到几十纳米时，就像用一支粗毛笔写蝇头小字一般，生产起来有点力不从心。这也是近几年，摩尔定律即将告终的声浪不断的主因。

极紫外光的波长仅有 13.5 纳米，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 纳米案环境评估通过的同一星期，独家生产 EUV 微影机台的荷兰商ASML（艾司摩尔）在法说会宣布，已接到 EUV 微影机台 6 部订单。根据《霸荣周刊》（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。

有多耗电？「吓死人！」台积电 300mm Fabs 厂务处资深处长庄子寿心有余悸地说。他今年 3 月在一场记者会接受《天下》访问时表示，他希望未来台积电 EUV 用得「愈少愈好」，「因为太贵了，用的电也太大了。」

ASML至今尚未公布 EUV 机台的耗电功率，但世界第二大内存制造商、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 万千瓦的电力，这个耗电量是传统氩氟雷射的 10 倍以上。（芯智讯注：换句话来说，就是一台输出功率250W的EUV机器工作24小时天，将会消耗3万度电，这个数字确实吓人。）

“要把光压到这么短的波长，需要很强很强的能量。”庄子寿解释到。

根据芯智讯了解，要想达到 250 瓦功率的 EUV输出，需要将多台13kW CO2激光器串联接通达到所需的功率要求，最终从等离子体源产生所需的EUV光输出。高科技产生极紫外光的过程非常低效，过去被人们比拟为“用核反应堆提供动力”，但也成为了满足半导体工业批量生产要求扩展EUV输出功率的唯一可行方式。

为什么提升功率这么难？

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，负责先进制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，ASML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，ASML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。

为什么提升功率这么难？

曾与台积电合作 EUV 光源研究的台大电机系教授黄升龙解释，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么大。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，是很复杂的技术难题。而且，“冷却系统也得耗上不少电。”黄升龙说。

整个 EUV 技术商用化的过程之艰辛、投入研发金额之巨，堪称半导体业的「登月计划」。曾有业者估计，整个业界投入的研发经费超过 200 亿美元（约台币 6,100 亿元）。

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，必须以硅与钼制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、平面化等多道制程。导入高耗电的 EUV 光源，这道制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 纳米制程用电是当今台积电的主流 28 纳米制程的 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 纳米制程，总用电会是目前的一倍半。

“而且，5 纳米应该只有一半制程用到 EUV。”一位外资分析师说。他表示，由于 EUV 技术极为昂贵，台积电仍只有在部分较难的制程才采用新技术。但到了在下一个世代，已经逼近摩尔定律极限的 3 纳米制程，EUV 采用比例就会大幅增加，用电量会进一步暴增。

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 纳米制程，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 纳米制程，便传出台积电有意设厂美国，除了土地与环评，电力稳定度也是考虑因素之一。

在第二季法说会上，台积电共同执行长刘德音表示，3 纳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。

编辑：芯智讯-林子稿源：天下杂志

活动预告

8月28日，芯智讯将主办《新交互·新风口——2017生物识别技术与应用高峰论坛！》，我们邀请到了高通、费恩格尔等指纹芯片厂商，以及指纹模组厂商欧菲光，语言识别及声纹识别代表厂商科大讯飞，人脸识别技术厂商旷视科技，3D摄像头模组厂商奥比中光，虹膜识别技术厂商中科虹霸等众多生物识别领域的知名企业和技术专家与大家共同探讨生物识别的前沿技术，解析生物识别技术如何助力行业的创新与变革。