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“缺电”将成台湾半导体产业最大威胁!

来源:中国半导体论坛

  发布:星之球科技

关键词:台湾半导体 激光 能源危机

2017-12-12

随着半导体产业的快速发展,对于电力供应的需求也是与日俱增。如果电力供应跟不上,那么半导体产业的发展也必将会受到巨大的阻碍。目前台湾最引以为傲的半导体产业正在遭遇“缺电”威胁,而且随着台湾半导体产业对于电力需求的快速增长,以及台湾当局“2025非核家园”计划的推进,未来这一威胁仍将会进一步加剧。这也为台湾半导体产业的未来的发展蒙上了一层阴霾。
815台湾大停电或许只是个开始
根据世界能源署统计,2012年台湾人均年耗电量已经达到约10800千瓦时,超过日本、韩国,成为亚洲非产油国家和地区人均耗电量之最。而2014年中国大陆的人均年耗电量才4740千瓦时,不到台湾2012年的一半。其中,台湾庞大的半导体产业正是耗电大户,而台湾普通民众的耗电量高企则是由于“被平均”了。
根据2011年的数据,电脑通信及电子产业、化学材料、金属和钢铁工业三个领域的企业年耗电总量占全台湾总用电量的33.1%,而且每年还会增加30亿千瓦时以上,确实是用电大户。
需要指出的是,由于台湾缺乏能源产业,煤矿、水电也比较匮乏,这也导致了台湾所需的能源99%需要靠进口。但是,长期以来,台湾的电价却由于政治原因(不能涨价),一直处于全球较低水平。根据国际能源总署2016年8月发布的统计资料显示,2015年台湾工业电价为全球第8低,居民电价更是全球第3低。而长期低电价的结果是,台湾的供电公司——台电既要维持相当规模的发电量,又不能涨电价,经济高效的核电又不能用,导致公司的运营入不敷出。根据台电公司今年8月公布的数据显示,今年上半年亏损近71亿元新台币,累计亏损达1010亿元新台币,再加上各种长短期债务,账上欠债高达1.06万亿元新台币,负债比率高达85%。台电的持续亏损,也导致难以有资金加大投入,提升发电量,再加上电力需求的大幅增长,导致台湾用电也开始越来越紧张。
2017年7月底8月初,尼莎、海棠两股台风先后在台湾登陆,一架位于宜兰东澳的输电铁塔被台风吹倒,造成台湾供电吃紧,一时闹起了电荒。初步评估修复此供电铁塔至少需要15天。
随后在8月15日,台湾发生全岛性大规模停电,受影响家庭近700万户(几乎是台湾全部人口)。为了保护台湾的支柱产业——半导体产业,政府将当晚残存的电力全都供给了三大科学园区的半导体Fab厂。这也使得全球最大的晶圆代工厂台积电在这次停电中毫发无伤,全球芯片封测巨头日月光集团仅有南科的部分园区出现了60分钟停电,随后很快就恢复了供电。只有南茂科技位于南科园区的工厂出现了一些损失。总的来说,这次大停电对于台湾的半导体产业影响并不大。
但是,此次大停电却着实吓到了台湾的半导体产业。
因为,芯片在生产过程中,一旦发生断电,就意味着生产线上所有的晶圆可能全部都要报废。首先,芯片Fab的生产需要超净生产环境,任何自然灾害对建筑的晃动都有可能造成超净环境被污染,而维持超净环境本身也是需要消耗大量电力。而一旦停电,超净环境就可能会被污染,整个产线上的晶圆可能就要报废。同时,芯片生产设备的断电将会带来更大的损失。以一台ASML ArF-immersion 1980Di光刻机产线为例,如果发生断电,再恢复、重启、ramp up所需的设备代价可能高达千万美元以上。而对于拥有众多设备的整个工厂来说,损失将会更大。
此前,在2016年,西安市高压变电站设备一度起火爆炸,西安市东部和南部电压陡变,导致西安三星存储芯片厂的紧急停机,产线上晶圆全部作废,按照当时的64层NAND芯片价格估算,那次事故三星损失高达3亿美元。
而且这些芯片厂线停产时间的长短还将直接影响全球芯片的供应和价格。比如,2015年,台湾高雄地震,台积电中科、南科厂停产,导致全球逻辑芯片价格上涨10%~20%。同样,韩国第二大芯片厂商海力士位于无锡的晶圆厂发生爆炸后,全球存储芯片价格瞬间就跳涨了25%。
早在2015年底的时候,当时的总统马英九到参观台积电中科厂。当时台积电董事长张忠谋就指出,目前台湾最大的隐忧之一就是缺电,台湾2017年可能面临限电危机。张忠谋当时在接受采访时就表示,停电对于台积电的影响“几乎不可估计”。虽然台积电每个厂都有备用电源,但是面对产线所需的巨大电能,备用电源在停电时也撑不了多久。此前台积电还曾提出过自建电厂的计划,但是却并未获批。
8月15日大停电后,用电大户、面板大厂友达董事长彭双浪也表示,“台湾用电是民生补贴工业。其实,供给和需求应该用价格来调整,用电量越高的人支付越高的单价。我们不怕贵,是怕不稳定”。
显然,电力供应的稳定性对于半导体厂商,乃至整个半导体产业来说都至关重要。而随着半导体产业的进一步发展,对于电力的需求也将呈现急剧增长的态势,若台湾不能保障足够的电力供应,“缺电”将成为阻碍台湾半导体产业发展的最大障碍。
半导体产业对于电力需求的急剧增长,将进一步加大缺口
半导体的制造,本来就是高度耗电的过程。在台湾半导体厂商当中,台积电一直都是最大的用电大户。资料显示,过去五年,全台湾增长的电量,其中1/3都被台积电给消耗了。根据台积电企业社会责任报告书,2016 年用电量高达88.53 亿度,较前一年增加了11%。台积电仅在竹科的Fab耗电功率已经超过72万千瓦。
而随着摩尔定律的发展,半导体的制程推进也越来越困难,预计5nm工艺将必须引入新的EUV (极紫外光)微影技术才能实现,但是这也将导致用电量的暴增。
据了解,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。而极紫外光的波长仅有 13.5 纳米,这也使得 EUV光刻机成为了攻克7nm、5nm、3nm工艺的关键。
目前能够生产的EUV光刻机的只有荷兰ASML一家,而EUV光刻机的造价也是非常之高昂。ASML目前最先进的EUV光刻机NXE 3400B一台售价高达1.1亿美金,而且还供不应求。据报道显示,此前ASML接到了5台EUV光刻机的订单,其中台积电订走了5台,耗资5.5亿美元。这个价钱,几乎可以买下两台世界最大民航机──空巴 A380。
 
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而EUV光刻机除了售价高昂之外,其耗电也是非常之惊人!
虽然,ASML并未公布 EUV光刻机机台的耗电功率,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。”而造成转换率低的一大原因是,极紫外光本身的损耗过大。
“极紫外光物理特性与一般常见的紫外光差异极大。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。
如果按照前面的EUV能源转换效率只有0.02% 来计算,目前先进的能输出 250 瓦功率的 EUV的机台,需要输入0.125万千瓦的电力才能达到,这个耗电量是传统氩氟雷射的 10 倍以上。换句话来说,就是一台输出功率250W的EUV机器工作一天,将会消耗3万度电,这个数字确实吓人。
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。
另外需要指出的是,如此大的耗电量也不可避免的带来了很大的发热量,因此需要部署相应的冷却系统,而这也将非常的耗电。
另外,根据预计,一个7nm的产线可能只需要1台ASML EUV光刻机NXE 3400B即可,但是到了3nm制程产线,除非ASML推出更先进的EUV光刻机,否则一条3nm制程产线需要4台NXE 3400B,耗电量将更是惊人。有报道称,一个3nm制程Fab的用电量将相当于整个台东(花莲、宜兰、屏东)的用电量,这确实是太恐怖!这也是为何此前业内曾有传闻称台积电计划将3nm新厂放到美国的一个原因。
不过,在台湾政府承诺解决水电等相关问题后,也考量到对台湾经济的重要性,台积电在今年9月底终于宣布将新规划的3nm工厂将落脚在台湾的南部科学工业园区台南园区,预计投资200亿美元,2022年前完工。但是,台湾政府想要实现这个承诺却并不容易。
因为除了规划中的3nm制程Fab之外,台积电还要新建一座5nm制程Fab(南科Fab14)和一座7nm制程Fab,同时其他的Fab也都会进行产线扩张,比如台积电的中科厂 Fab 15在2017年完成对10nm制程的5期、6期扩建 。
此外,台湾其他的半导体厂商也有一些相应的扩建计划。显然,随着新的制程工艺的推进,工厂的扩建和设备升级,台湾半导体产业的对于电力的需求将会出现暴涨。而与此同时,台湾的电力供应却面临巨大的问题,并且未来几年内可能都难以得到改善。
“2025非核家园”导致缺电加重
2011年3月,受东日本大地震影响,日本福岛第一核电站损毁,核电站的三个反应堆因过热发生堆芯熔毁,放射性物质泄漏到外部,发生严重核泄漏事故。在福岛核电站周围20公里内的21万民众被迫撤离。受此事件的影响,核电安全问题也引起了多个国家和地区民众的恐慌,随后日本、德国、台湾都纷纷考虑“弃核”(放弃核电)。
福岛核电站事故发生之后,当时的民进党主席蔡英文为了获得支持率,就抛出了“2025非核家园计划”,强调如果赢得“总统”大选,将最终在2025年完全停止核能发电。“2025非核家园”随后也成为了蔡英文竞选“总统”的一大竞选口号和承诺。
 
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为了获得支持率,在大肆渲染核能危害的情况下,2014年的民进党组织了反核大游行活动,直接导致了台湾耗费巨资建设的“核四”厂停工,变成现在的“烂危楼”。“非核家园”、“用爱发电”这些美丽而动听的口号,成了蔡英文当选台湾地区领导人的一个重要因素。
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2016年1月16日,蔡英文以大幅领先优势顺利胜出,顺利当选“中华民国”“总统”。蔡英文便得以名正言顺的继续推动“2025非核家园计划”。今年2月,台湾地区立法机构正式通过的相关条文明确,核能发电设备应于2025年以前全部停止运转,以实现蔡英文提出的“2025非核家园”目标。
火电不断加码,污染加重
按照“2025非核家园”的规划,到2025年台湾天然气发电占总发电比例的50%,燃煤30%,绿色能源20%。目前台湾的核能供电占总电量的16%(有资料为14%),绿色能源供电仅占不到3%,显然要在2025年这样的目标似乎是不可能。
 
根据台电所发布的报告显示,目前台湾火力发电约占72.6%,这其中,燃煤占40.3%、燃油占3.2%。根据报道显示,为了应对“非核家园”之下的缺电危机。台湾桃园大潭电厂7部燃气机组已于11月初超过环评承诺空污排放上限,至今已超标排放336吨氮氧化物,粗估增加8万吨碳排,且仍持续增加,若燃煤改燃气机组,也有空污排放超标问题。台电表示,超出排放标准将面临地方政府罚款命运,不过为稳定供电,只能持续发电,并于非尖峰时段降载因应。麦寮六轻的燃煤火力发电厂的年度燃煤额度,也早早提前烧完,在10月28日就把一整年的煤都给烧光了。
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污染加重,火电又被限,明年缺电更严重
为了保证供电,火电的不断加码,超标排放,直接导致了台湾空气污染问题的加剧。台湾民众对雾霾怨声载道,当局迫于压力之下又要让台中火力电厂减少生煤的使用量。台中火力电厂9部机组明年遭减500万吨生煤使用量,将短少约45亿度电;兴达电厂也已有2部机组被高雄市府要求至明年3月要减煤约15万吨,将再短少3.6亿度电。中火被减煤量相当于一部55万千万火力发电机组的发电量。这将导致台湾明年供电状况更加严峻。
重启核能是一个好的选择吗?
那么重启核能是一个好的选择吗?现实恐怕并不是。
根据资料显示,除了已停工的“核四”厂,台湾还有3座核电厂共6部机组。在“2025非核家园”计划的推动下,今年6月前,仅有“核三厂”1号机组正常运转。随后进入夏季,台湾开始闹电荒,蔡英文当局被迫启用了“核二厂”1号机组以及“核三厂”2号机组。
但是,台湾的“核一厂”和“核二厂”将面临着必须按期除役的问题,否则发生事故的可能性会急剧升高。明年年是核一厂如期除役之年,近几年核一厂发生的多次严重事故,实在让人不敢恭维。如近五年来螺栓断裂高达12次,执行核燃料挪移与填换过程中,甚至发生一束燃料棒把手松脱事件,而机组里还有81束同型问题燃料棒。在2011年,核一场被科学杂志《Nature》指名为“全球第二危险电厂”的电厂。
无法处理使用过后的燃料棒,这是台湾需要废核的重要原因之一,而由于两岸关系问题,更不可能跟大陆合作来处理。台湾也曾经试图找朝鲜和蒙古合作,将核废料运走处理,但最后计划都无疾而终。目前的三座核电厂,总发电量约5144百万瓦,每年用过燃料棒约150吨,从1978年核电厂启用以来,三处核电厂的用过燃料棒都放在原子炉上方的燃料冷却池,而且超级爆满,密度是世界第一:“核一厂”燃料池有5514束,“核二厂”7544束,“核三厂”有2401束,全部15459束,核一、核二厂的池内,束与束都快碰在一起了。
显然,在这种情况下,重启核能虽然能够暂时解决能源危机,但也存在着巨大的风险。同时也是目前力推“2025非核家园”的蔡英文政府不愿选择的一个选项。
小结:
能源危机之下,台湾确实被逼到了一个困局之中。核恐慌之下,即便核能发电清洁又便宜,可是老旧的核电厂随时都有出事故的危机,核燃料棒存放更是个悬在头上的利剑。而过度依靠火力发电势必又将带来更为严重的环境污染问题,带来严重的雾霾危害民众健康。限制火电又面临缺电危机。而剩下的诸如风能、水力与太阳能在台湾发展更为缓慢。雾霾天之下,太阳能又无法发电。台风天之下,天然气又无法进港。只能依靠火力发电,燃烧大量的煤炭和天然气。能源问题无法解决,就没法谈论发展的问题。试问,倘若台湾无法保证电力的稳定供应,又如何支撑半导体产业的发展呢?