芯片生產(chǎn)，磨難重重

4月3日據(jù)臺氣象部門統(tǒng)計，主震過后，截至3日晚10時37分，已有216起震中在中國臺灣花蓮縣及花蓮近海的地震。就此次地震對半導體產(chǎn)業(yè)鏈的影響，全球市場研究機構(gòu)TrendForce集邦咨詢調(diào)查各廠受損及運作狀況指出，DRAM（動態(tài)隨機存取存儲器）產(chǎn)業(yè)多集中在臺灣北部與中部，F(xiàn)oundry（晶圓代工）產(chǎn)業(yè)則北中南三地區(qū)，3日上午北部林口地區(qū)地震最大約4到5級間，其他地區(qū)地震約在4級左右，各廠已陸續(xù)進行停機檢查。盡管檢查尚未結(jié)束，但目前為止各廠都沒有發(fā)現(xiàn)重大的機臺損害。

中國臺灣地區(qū)是世界最大的晶圓生產(chǎn)基地。2023年，全球晶圓代工產(chǎn)能中，中國臺灣地區(qū)占約46%。當前，業(yè)界最為關心的是，全球的芯片供應是否會受阻，是否會重現(xiàn)2021年的芯片短缺情況？

牽一發(fā)而動全身，芯片今年的困難還不只地震、缺電、缺水……

01

無水不可持續(xù)

美國和歐洲正在宣布或正在建設的生產(chǎn)設施均位于已經(jīng)面臨嚴重缺水壓力的地區(qū)。英特爾、臺積電和三星都在美國西南部建設新工廠，該地區(qū)自 1994 年以來一直處于干旱狀態(tài)。2021年，美國墾務局首次宣布科羅拉多河流域缺水。未來的氣候變化情景表明，自 2021 年以來宣布的所有新半導體制造設施中，超過 40% 將處于可能經(jīng)歷高風險或極高風險缺水情景的分水嶺。

在減少導致地球變暖的溫室氣體排放的背景下，半導體制造的耗能性質(zhì)和巨大的碳足跡受到了相當多的關注。事實證明，我們既渴又餓。我們的工業(yè)消耗大量的水，每年多達 2640 億加侖，隨著氣候變化，這種資源可能會變得更加稀缺。單個晶圓廠每天可以使用數(shù)千萬加侖的水。從這個角度來看，美國的平均用水量約為每人每天310 升，1000 萬加侖相當于一個小城市人口 122,000的日常家庭用水量。

簡而言之，氣候變化和水資源短缺正在給半導體制造帶來短期和長期風險。

水安全將成為影響半導體公司信用狀況的一個日益重要的因素。水資源處理不當可能會擾亂公司的運營，損害財務業(yè)績，并可能影響客戶關系。推而廣之，鑒于半導體供應鏈普遍集成，任何潛在的生產(chǎn)中斷都可能影響其終端市場。

氣候變化正在考驗芯片制造商。隨著加工技術(shù)的進步，半導體公司的絕對用水量和單位用水量都在增加。與此同時，氣候變化正在增加極端天氣的發(fā)生率、干旱的頻率和降水的波動性，限制了芯片制造商管理生產(chǎn)穩(wěn)定性的能力。

標準普爾全球評級認為，水安全將成為影響半導體公司信用狀況的一個日益重要的因素。雖然到目前為止，大多數(shù)公司都善于處理這個問題，但日益嚴重和頻繁的缺水可能會壓垮實體的應急計劃。

在產(chǎn)能擴張和先進工藝技術(shù)需求的推動下，半導體行業(yè)的用水量有望每年以中高個位數(shù)百分比增長。

如圖臺積電在 2015 年升級到 16 納米 (nm) 工藝節(jié)點后，單位功耗增長了 35% 以上，這主要是由于向先進節(jié)點的遷移，需要更多的制造工藝。用水量和芯片復雜程度之間存在直接聯(lián)系，因為晶圓廠在每個工藝之間使用超純水（經(jīng)過處理至極高純度的淡水）來沖洗晶圓。半導體越先進，工藝步驟越多，消耗的水就越多。

臺積電的水安全問題是有意義的，但相對于同行來說是適度的。未來三年內(nèi)水資源短缺不會影響代工廠的運營，然而三年后就不好說了，產(chǎn)能擴張和技術(shù)開發(fā)可能會讓臺積電抵御嚴重干旱的余地較小。有預測稱到 2030 年，臺積電對給水的需求可能會比 2022 年的水平翻一番。

以中國臺灣為例

2020年10月至2021年6月，中國臺灣發(fā)生了56年來最嚴重的干旱。這是由于2020年沒有臺風，2021年春季降水有限，水庫水位下降到庫容的5%以下。當局下令限水約兩個月，影響了超過 100 萬家庭和企業(yè)。政府在受影響最嚴重的地區(qū)每周關閉兩天供水，其中包括中國臺灣第二大城市臺中。島上四分之一的水稻種植面積沒有灌溉。據(jù)當?shù)貓蟮?，官員要求科技行業(yè)（尤其是半導體行業(yè)）將用水量減少 20%。水電站也受到干擾，導致 2021 年 5 月發(fā)生兩次大停電。

隨著向更先進的半導體工藝技術(shù)的不可避免的遷移，水的純度要求也應該提高。這意味著臺積電可能必須過濾掉更多未達到其日益嚴格的純度標準的水。這可能會限制臺積電進一步提高水回收率的能力。全球科技硬件供應鏈僅依賴于少數(shù)主要芯片制造商。其中一家企業(yè)的運營減少可能會影響眾多下游企業(yè)的生產(chǎn)。疫情期間全球芯片供應短缺，充分說明了科技供應鏈錯綜復雜、易受事件風險影響。

02

應對風險

認識到可持續(xù)發(fā)展的必要性

半導體生產(chǎn)需要大量的水和能源，其中大部分被處理并作為廢水排放。隨著制造商尋求擴大生產(chǎn)規(guī)模并建設新設施來滿足前所未有的需求水平，有必要提醒業(yè)界高效廢水處理的重要性。

半導體制造涉及廣泛而復雜的漿料和化學品，需要嚴格的廢水分離、處理和回收系統(tǒng)。處理這些含有金屬和其他危險廢物的污泥是一項挑戰(zhàn)，執(zhí)行廢水排放標準等環(huán)境法規(guī)可能會帶來巨大的成本。

半導體生產(chǎn)中涉及的化合物包括用于清潔和蝕刻感光元件的氫氟酸以及用于沖洗的氨、氟化銨、過氧化氫以及鹽酸、硫酸和磷酸。清洗半導體晶圓是該工藝中耗水量最大的部分，會產(chǎn)生富含氟的廢水，需要用石灰中和。

全產(chǎn)業(yè)鏈的解決方案

如果中國臺灣地區(qū)某地發(fā)生四級以上地震，芯片制造商要做的第一件事就是疏散潔凈室和工廠的所有員工，等待主震停止。下一步包括通過中央控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控工廠，以檢測火災、有毒氣體或任何可能導致嚴重事故的化學品泄漏。如果情況安全，設備、設施和材料團隊可以返回指定站點并開始對設備進行實際檢查。

首先要確定設備內(nèi)正在加工的晶圓是否完好。如果是這樣，稍后可以對其進行返工。然而如果晶圓破裂，工程師需要仔細清潔設備室，然后重新啟動機器。接下來，他們運行一批控制晶圓，以確保機器正常運行，然后再將機器重新上線。這些程序必須一絲不茍地進行，生產(chǎn)的全面恢復需要時間。

一位設備供應商經(jīng)理說：“所有流程恢復正?？赡苄枰獛讉€小時到幾天甚至幾周的時間，具體取決于情況的嚴重程度?！睒I(yè)內(nèi)人士表示，最重要的是，所有類型的光刻機通常比其他芯片制造設備需要更長的時間才能重啟。“地震后重新校準光刻機的偏差始終是一項挑戰(zhàn)。你需要設備供應商提供大量支持，使用特定的工具。它需要極高的精度，而且你不能急于恢復光刻機?！边@就是中國臺灣工程師引以為豪的職業(yè)道德的用武之地。

一位設備工程師說：“如果發(fā)生在節(jié)假日，或者不是正常辦公時間，所有員工都會在不到一小時的時間內(nèi)立即返回工廠?！彼€回憶說，他曾經(jīng)不間斷地工作 48 小時，以確保生產(chǎn)效率。確保他負責的車站在另一次事件中恢復正常運行?！皬吞K的迅速也與中國臺灣芯片行業(yè)的工作文化密切相關……”

地震發(fā)生后，工廠、設備和材料工程師以及供應商在國定假日期間加班加點，以盡快使生產(chǎn)恢復正常?！拔覀円龊芏鄼z查和重新校準。我可以向你保證，中國臺灣地區(qū)所有的工程師都在值班，就像黃蜂從巢里沖出來，幫助生產(chǎn)工具恢復上線?！币晃唤?jīng)理說。

03

總結(jié)經(jīng)驗

水變得越來越有價值，也越來越稀缺。半導體制造需要大量的水，主要是為了生產(chǎn)工藝本身的超純水。工廠中的水還有許多其他用途：冷卻、洗滌、使用點減排和滅火等。一座工廠抽取的水量相當于數(shù)萬戶家庭的用水量，現(xiàn)在許多晶圓廠位于水資源緊張的地區(qū)。

我們可以做什么？水的使用、再利用、處理和回收的通用衡量標準都是必要的。氣候變化將對許多半導體設備生產(chǎn)地區(qū)的水資源供應產(chǎn)生負面影響。了解回收效率、能源使用和碳足跡之間的平衡也很重要。隨著產(chǎn)量的增加，需要采取涉及晶圓廠、地方和國家政府的創(chuàng)新方法來管理這種水風險。