很多人都忘了,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,台湾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纳米工艺,决定放在南科厂,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。

用电增幅狂飙46%

其中,用电增幅极为惊人,从原本规划的152万瓦,增加至222万瓦,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纳米工艺,估计用电量72万瓦,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。因为半导体工艺技术,又到了改朝换代时刻。

台积电预计2019年量产的7纳米工艺的第二版本──7 Plus,部分工艺将首度导入极紫外光(EUV)微影工艺,这是半导体产业期待已久的“救世主”技术。

目前半导体工艺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纳米案环差评估案通过的同一星期。独家生产EUV微影机台的荷兰商艾司摩尔(ASML)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300mmFabs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。”

艾司摩尔至今尚未公布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 plugef ficiency)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0.125万瓦的电力,这个耗电量是传统氩氟雷射的10倍以上。

“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。

连冷却系统用电也不容小觑

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,负责先进工艺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,艾司摩尔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SemiconWest半导体设备展,艾司摩尔宣布,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、平面化等多道工艺。导入高耗电的EUV光源,这道工艺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纳米工艺用电是当今台积电的主流28纳米工艺的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纳米工艺,总用电会是目前的一倍半。

“而且,5纳米应该只有一半工艺用到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工艺才采用新技术。但到了在下一个世代,已经逼近摩尔定律极限的3纳米工艺,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纳米工艺,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纳米工艺,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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