台积电3nm工厂年耗电量将达70亿度 “缺电”或成最大威胁

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来源：芯智讯

　　日前有媒体报道称，台积电已经成功开发了2nm工艺，而2nm工厂预计将落脚于新竹科学园区宝山园区，且台积电也持续积极布局2nm以下的先进制程，传闻可能会在高雄设厂。至于2nm的进度，消息称台积电将在2023年上半年进行风险生产，2024年开始批量生产。

　　不过，台积电对此消息回应称，目前已投入2nm制程技术研发，不过，尚无具体量产时间。

　　台积电过去约每2年推进一个世代制程技术，今年下半年5nm制程大量生产，3nm预计2022 年下半年量产（资料显示，台积电3nm工艺比5nm工艺的晶体管密度高70%，性能提高15%，功耗降低30%）。因此，外界推测，台积电2nm大约会在2025 年之前量产。

　　与此同时，根据地区经济部能源局公告显示，2022年到2023年应备总供电容量增加近100万千瓦，2024年到2025年进一步大增257.6万千瓦。由于台积电是台湾的用电大户，从台湾供电容量的增加幅度来看，外界猜测，台积电2nm制程有望于2025 年前量产，与台湾用电负载激增时间吻合。

　　台积电：台湾最大的耗电大户

　　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，不到台湾地区2012年的一半。

　　不过以上数据可能与台湾公布数据存在一些出入。根据台电统计数据显示，2012年民生用电售电量576.45亿度，工业用电1176.48亿度。截至2012年底，台湾人口约2331.58万人。以此数据来估算，台湾的人均年耗电量约为7518度。

　　根据电公司统计的数据显示，2018年全年用电量达2191亿度。而2018年底，户籍登记人口则为2358.9万人。按照此数据来计算，2018年，台湾人均年耗电量已经超过了9288千万时，远超冰岛等人均耗电量排名靠前的国家。

　　△根据2016年的数据显示，虽然中国电力产量居世界首位，但人均能源消耗量居世界第63位。而人均耗电量最多的国家则是冰岛，达到了5777千瓦时。

　　而台湾地区人均年耗电量如此之高的关键原因则是，台湾庞大的半导体产业消耗了大量的电能，导致台湾的人均年耗电量“被平均”了。

　　而在台湾半导体厂商当中，台积电一直都是最大的用电大户，几年之前，台积电的用电量就占据了全台湾用电量的5%以上。

　　根据台积电企业社会责任报告书，2016年台积电用电量就已高达88.53 亿度，较前2015年增加了11%。当时台积电仅在竹科的Fab耗电功率已经超过72万千瓦。

　　2019年，包括中国台湾厂区、WaferTech、台积电（中国）、台积电（南京）、采钰公司，台积电全球能源消耗量为143.3亿度，比五年前增加了54.12亿度，近五年每年平均年增长率12.5%。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。

　　先进制程产线最为耗电：一台EUV光刻机，一天耗电3万度？3nm工厂年耗电量将达70亿度

　　台积电造的每一颗芯片需要经过数千道工序才能完工，而这其中需要利用大量的半导体设备，并一直维持恒温、高压等各种复杂环境，这一切都需要电，造的芯片越多、制程越先进，用的电就越多。

　　数据显示，先进制程机台用电量占台积电公司能源使用50%以上，同时考虑先进制程机台数量逐年增加，台积电对于电能的消耗将进一步快速增长。

　　由于7nm以下的先进工艺制程必须要使用EUV光刻机，而EUV光刻机的大量使用将会对台湾的供电能力提出巨大挑战。

　　SK 海力士此前曾表示，“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。

　　根据今年7月台湾媒体的报道称，随着台积电5nm的大规模量产，台积电今年的单位产品用电量相比去年上升了17.9%，而该公司拟定的目标则为降低11.5%。台媒称，以执行力著称的台积电管理团队，如此大幅落后设定目标，是极罕见的事。

　　台积电对此解释称，随着新制程技术与制程复杂度增加，新制程机台用电量上升，导致10nm以下制程产品用电量较16nm以上的制程倍增。有分析称，极可能是EUV导入的速度与量产之后的耗电量超乎预期。

　　根据预计，一个7nm的EUV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，如果继续用NXE 3400B，就可能需要4台才能实现，耗电量将更为惊人。

　　不过，ASML也正在提升光刻机的效率，比如已推出的改进的NXE：3400C的产能从之前的125WPH（每小时处理晶圆数）提升到了175WPH，同时还将推出针对3nm及以下制程的EXE：5000系列EUV光刻机。希望届时新的EUV光刻机能够进一步提升能效比。但是，单机的能耗恐怕难以实现大幅的降低。

　　根据之前的预测，台积电3nm半导体制造厂开启后，预计年耗电量将达到70亿度。而等到2nm制程Fab的量产，其耗电量必然将再度上升到一个新的台阶，未来台积电的用电量将有可能超过台湾总电量的10%。

　　台积电董事长刘德音11月底在3nm厂上梁典礼时曾说，新厂房设计之初已依据台湾与美国绿建筑认证系统指标规划，并持续推动节能、节水、减废、减碳与生态保护等友善环境行动。

　　考虑到先进制程机台的数量和用电量的急剧上升，台积电也携手机台设备商合作开发半导体“绿色机台”，并启动新世代机台节能行动专案，估计今年将因启用5nm节能机台省下2亿度用电量。

　　台积电表示，还将展开能源用量管理、用电效能提升及生产流程高效化，以期能达成相同制程技术量产5年后，生产能效提升1倍的效果。

　　此外，台积电还曾提出过自建电厂的计划，但是却并未获批。不过，台积电也在通过与第三方的电力公司合作，来降低对于官方电力供应系统的依赖。今年7月，台积电与风电公司沃旭签署协议，承包其两座风电场未来20年的发电量，预计每年将消耗34.5亿度绿色电力。台积电希望未来其3nm工厂使用绿色电力占比将达到20%左右。

　　今年7月，台积电还加入了全球再生能源倡议组织（RE100），成为全球第一家参加的半导体企业，承诺2050年前全球营运100%使用再生能源。不过，数据显示，台湾地区2019年绿色能源发电量仅为140亿度，还不够满足台积电一家的使用量。

　　而为了让台积电能够放心建设3nm、2nm工厂，地区经济部长王美花近日也表示，由于半导体、电子等产业持续增加，一定要先把环境做好，尤其电力整备要提前准备好，未来5年供电及备转容量率都将持续增加，规划2025年备载容量达17.2%。将会配合台积电的水电需求，以确保供应上没有问题。