台湾大停电，这事得EUV光刻机背锅！

来源：内容来自天下杂志 ，谢谢。

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”。

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。

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。

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。

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。

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。

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