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双碳“大考下的半导体企业“芯”答卷

2021-12-29
来源:集微网
关键词: 双碳 半导体

    “双碳”大考下的半导体企业,如何用“芯”交卷?

  集微网消息,“做好碳达峰、碳中和工作”已成为我国“十四五”重点任务之一:力争2030年前达到峰值,2060年前实现碳中和的目标被再次强调。随着欧盟、美国、日本等地区和国家政策的陆续出台,届时占全球经济总量70%、全球碳排放量65%以上的国家都提出了碳中和目标。

  一时间,“碳达峰”“碳中和”成为社会热词,不少媒体将2021年称为“碳中和元年”。这一任务如何实现?节能减排是核心工作之一。在“全球缺芯”的背景下,半导体企业除了问革新技术、扩充产能外,如何在“双碳”大考中交出一份“芯答卷”备受外界关注。

  “碳中和”与半导体企业的遭遇战

  身处低碳经济时代,绿色、可持续发展已不再是企业的“加分项”,而转变为其生存和发展的“及格线。半导体工业是一个高能耗产业,具有设备的昂贵性、敏感性和制造过程的复杂性。当半导体企业与碳中和”狭路相逢“,如何边发展、边降碳,已成为必须要回答的问题。

  据了解,一颗芯片的面世,要经历近3000多道工序,在几十个足球场大小的工厂里维持超净、恒温、高温高压、真空、强电磁场的复杂环境;同时,为防止温度过高,还需设置庞大的水冷系统。工厂全年365天、全天24小时运转,无疑将带来惊人的能耗。

  台湾民意代表高金素梅也指出,台积电是最大工业用电户,自2010年到2019年,用电增加223.8%;2020年台积电5nm厂投产,一年用电量是63亿度,超过台湾地区东部56万人口的用电量;2022年台积电3nm厂投产,每年用电量将达77亿度,超过台南市一年的民生及商业用电。一个3nm厂,将吃掉整个台湾地区用电量的3%。

  同时,根据2019年《台积电企业社会责任报告书》显示,包括中国台湾厂区、WaferTech、台积电(中国)、台积电(南京)、采钰公司,当年台积电全球电能消耗量为135.8亿度,而台湾地区2019年绿色能源发电量为140亿度。

  ”双碳“大考来临,不少半导体企业采取积极应对措施:2020年,英飞凌率先承诺实现碳中和,并制定”有约束力的减排目标“:到2025年将二氧化碳排放量较2019年降低70%,到2030年实现碳中和;台积电承诺,2050年将100%使用可再生能源,并与风电公司沃旭达成合作,每年34.5亿度电将用绿色电力代替;而台积电在芯片制造领域强劲竞争对手之一的三星也宣布,其在美国、欧洲和中国的生产均使用100%的可再生能源;英特尔则宣称,自愿减少碳排放已超过20年……

  不同于早期较高的利润,在能源成本日益高涨的当下和碳中和政策持续加码的未来,半导体企业无法忽视因能源成本增加而带来的高额支出,在节约成本、绿色环保、可持续发展等方面,向制造环节提出了更为严格的要求。

  逢山开路,遇水架桥。当前全球半导体制造企业主要应对措施体现为:一、提高能源效率,在制造领域采用现代化工艺技术;二、化学品替代,如使用CVD清洁气体为NF3替代高GWP的PFC气体,消除60-70%的排放;三、使用具有来源保证的100%绿色电力;四、对于无法完全避免的排放,以高质量标准购买碳排放证书,支持具有生态和社会效益的项目。

  由全球领先的半导体厂商AMD、英飞凌、IBM、英特尔、台积电、飞利浦等组成的业界联盟International Sematech Manufacturing Initiative(ISMI)指出,如果整个芯片产业都采取节能降耗的最佳生产方式,全行业每年有望节电48亿千瓦时,约合4.8亿美元,足够17.7万个家庭使用。

  进击的第三代半导体,节能减排从”芯“开始

  半导体企业低碳之路如同硬币的正反面,既要直面其生产制造过程中带来的”高能耗“,也要关注到和利用好”高能耗“的另一面,即对各行业实现节能减排目标的助推作用。

  有别于第一、二代半导体材料,以碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)为材料的第三代半导体具有效率高、能耗小的特点,对社会节能减排,实现碳中和发展目标有着积极作用,被广泛应用于卫星通讯、智能电网、轨道交通、航天航空、新能源汽车等热门新兴产业。

  当前,电力行业作为碳排放主战场,亟需构建以新能源为主体的新型电力系统,加强电网的柔性互联互通,当中需要大量的半导体器件。未来在智能电网建设或能源互联网建设中,碳化硅器件将会有非常好的应用前景。

  近年来,国家和地方政府先后出台政策促进第三代半导体材料产业快速发展,我国第三代半导体企业从小批量研发”快步“迈向规模化商业化生产:2021年5月,山东天岳递交了科创板上市招股书,有望成为第一个科创板上市的碳化硅衬底材料企业;同年6月,湖南三安半导体基地一期项目正式投产,有望形成月产3万片6英寸碳化硅晶圆的生产能力。

  除了第三代半导体,功率半导体器件和模拟芯片在碳达峰、碳中和中发挥的作用也不容忽视。有电力电子的”CPU“之称的前者,可在电子设备中起到对电能(功率) 的传输、处理、存储和控制;后者则在电子设备系统中担负着对电能变换、分配、检测及其他电能管理的职责。

  由此可见,半导体技术的进步对于节能减排的重要意义至少体现在以下两个方面:通过产品设计和生产工艺的改进,有效降低半导体器件自身的功耗;同时,直接或间接地提高系统其他部件的能效,在能量的传递和使用的全过程中,起到监测、调节、优化和控制的作用。

  当前,有利于能源转型的半导体新技术、新创造已成为迈向碳达峰、碳中和的有力抓手和破题关键。

  身处碳交易市场,特斯拉的另类启示

  每吨52.78元,成交16万吨,交易额790万元——这是全国碳交易市场开市2分钟后的第一笔交易。7月16日,全国碳交易市场在北京、上海、武汉三地鸣锣开市,国家节能减排战略部署拉开帷幕。

  当前,建立全国碳排放权交易市场,已然成为中国利用市场机制推动绿色低碳发展,减少和控制温室气体排放的重要制度创新,也是实现”双碳目标“的重要政策措施,对碳市场格局具有积极促进作用,且有迹可循。

  2021年6月10日,搭载了由碳化硅(SiC)为主要器件的逆变器的特斯拉 Model S Plaid 发布(迄今为止,已有3款车型采用 SiC 技术)。除此之外,比亚迪、蔚来搭载SiC 技术的车型也已推出或即将发布;仍然是特斯拉,近3年来通过销售碳排放积分(该政策与我国碳交易有所不同,但本质不变),分别获利4.19亿美元、5.93亿美元和15.8亿美元,而其2020年全年净利润仅为7.21亿美元。这意味着,如果剔除出售碳排放积分的收益,则2020年特斯拉亏损8.59亿美元。

  依靠半导体技术对新能源车排放的有效管理,特斯拉弥补了因高额研发支出带来的”失血“,这种模式在传统碳税政策下不可想象。先进的半导体技术可帮助各行业减少碳排放获得收益,而半导体企业同样大有可为。

  例如,半导体企业可通过技术升级改造出售排放权获益,具体措施上可通过在腐蚀和CVD室清洁过程中减少氟化物的排放而获得排放权;同时,由于参加排放交易,半导体企业可进一步证实其在节能减排方面所作的积极承诺,提升其对社会负责的行业形象。

  机遇与挑战总是结伴而行。怎样如期实现企业各自承诺的目标与计划?如何利用先进技术反哺产业?”碳中和“视角下,各行各业的低碳之路正在不断延伸和迭代。

  

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