芯片業迎來綠色革命，但短期內沒有讓脆弱的半導體生態系統可持續發展的良方
RAKESH KUMAR
2023-12-29
半導體供應鏈正在發生變化，但半導體工藝的成熟耗費了數年時間。圖片來源：ROBERT MICHAEL - PICTURE ALLIANCE - GETTY IMAGES
半導體的可持續性再次引起關注。近幾年，主張提高芯片生產和使用的可持續性的呼聲越來越高。2022年，第27屆聯合國氣候變化大會（COP27）上成立了半導體氣候聯盟（Semiconductor Climate Consortium），60個創始成員承諾到2050年將排放量減少至0%。
芯片成為目標不難理解。畢竟芯片已經無處不在，而且芯片的數量和使用會持續增長。復雜的芯片供應鏈，從提取原材料到成品運輸，到生產過程中的加工、加熱和制冷，再到產品回收，大多數階段都會產生大量排放。
眾所周知，制造芯片的基本材料硅，需在熔爐中燃燒煤炭和木屑混合物，用沙子或石英加工而成。芯片行業需要大量能源和水，而且需求還在持續增長。先進的3納米芯片的生產過程每年可能消耗約80億千瓦時能源。在某些情況下，芯片生產會對社區產生無形的影響。全球最大芯片制造商臺積電（TSMC）消耗了中國臺灣6%的電力和10%的水，導致臺灣出現了供水短缺。 在美國灣區，該行業造成的污染已經使許多地區變成了毒區。
盡管如此，政府和半導體公司現在必須慎重思考如何改善芯片的可持續性。我們剛剛經歷的一次芯片荒，導致經濟陷入困境。芯片荒也讓人們開始關注增加芯片產量和芯片生產本地化可能帶來的經濟和國家安全效益。美國今年早些時候頒布的《芯片與科學法案》（CHIPS and Science Act）掀起了加大芯片生產的勢頭，而解決可持續性問題絕對不能減慢這種勢頭。
解決這個問題的成本并沒有人們想象的那么高。目前大多數人關注的是排放，但芯片行業所產生的排放，僅占全球二氧化碳排放當量的0.1%至0.2%。考慮到芯片生產對經濟的巨大影響，這個比例并不高。
芯片是智能電網、可再生能源轉型、智能和電氣化交通、低碳足跡物流和供應鏈、視頻會議、智能農業、藥物研發和節能生產等領域的關鍵支持因素，這些領域均有助于實現全球可持續發展目標。芯片的經濟影響也有助于提高可持續技術的采用率。可以說，盡管芯片會產生排放，而且能源和水需求龐大，但芯片會帶來積極的端對端可持續性影響。
當前以謹慎的方式實現芯片可持續性意味著什么？
傳統的監管方式可能導致在撥付《芯片法案》的資金之前，每個新芯片生產項目都需要根據《國家環境政策法案》（National Environmental Policy Act，NEPA）進行環境評估。它也可能允許個人在每個環節提起訴訟。然而，這會在注重成本和瞬息萬變的芯片行業，導致長達數年的延誤。《芯片法案》的關鍵目的是超越經濟和地緣政治競爭對手，保證芯片供應，而這些延誤（環境評估平均需要四年時間）和相應的項目成本增加，可能讓這個目的無法實現。相反，應該允許一次性例外，從而加快開始晶圓廠施工和升級，避免延誤。
有人可能認為，這種“免費通行證”可能是危險的，會開創壞的先例。然而，芯片行業在目標設定和自我監管方面做得很好。目前臺積電將2%的年收入投資到綠色倡議，并將其使用的85%的水循環再利用。英特爾（Intel）80%的運營使用可再生能源，而且其在美國、印度和哥斯達黎加生產的淡水超過了其消耗量。三星（Samsung）一半以上的用水會被重復使用。芯片生產的能源和水強度快速下降。可再生能源的使用則在持續增多。新設備和工藝的能源效率大幅提高。
芯片行業之所以能有這么大的改變，一個關鍵原因是將提高可持續性與行業的經濟目標保持一致。減少能源、燃氣和水需求，可以降低成本，使芯片廠商能夠靈活地選擇地理位置。芯片廠商的利潤率足以吸納短期成本。而且他們的客戶通常需要實現可持續性目標。
除了在《國家環境政策法案》下的一次性例外，監管者還應該靈活考慮芯片行業表現不佳的指標。芯片生產工藝經過數十年的發展和完善。將生產工藝中的任何部分替換成更可持續的替代品，需要大量研發投資，但卻無法保證最終可以取得成功。
同樣，今天的半導體供應鏈在效率和成本方面已經高度優化。供應鏈的不同環節為了符合可持續性指標而草率搬遷，可能影響成本和競爭力。對于棕地芯片生產，尤其要靈活應對。改造生產低利潤率芯片的舊晶圓廠（或更換工具、設施和工藝）的成本，可能導致這些晶圓廠失去競爭力。對芯片安全的擔憂正在引起現有供應鏈重組。這個過程必須慎重，保證合規負擔不會導致供應鏈不可靠或失去競爭力。
芯片行業必須持續發展——無論經濟安全還是國家安全都離不開芯片。但發展的過程也必須是可持續的。該行業目前處在一個關鍵轉折點，因此靈活和務實至關重要。（財富中文網）
本文作者拉凱什·庫瑪爾現任伊利諾伊大學（University of Illinois）電子與計算機工程系教授，并著有《勉強的技術愛好者：印度與科技的復雜關系》（Reluctant Technophiles: India’s Complicated Relationship with Technology）一書。
翻譯：劉進龍
審校：汪皓
半導體的可持續性再次引起關注。近幾年，主張提高芯片生產和使用的可持續性的呼聲越來越高。2022年，第27屆聯合國氣候變化大會（COP27）上成立了半導體氣候聯盟（Semiconductor Climate Consortium），60個創始成員承諾到2050年將排放量減少至0%。
芯片成為目標不難理解。畢竟芯片已經無處不在，而且芯片的數量和使用會持續增長。復雜的芯片供應鏈，從提取原材料到成品運輸，到生產過程中的加工、加熱和制冷，再到產品回收，大多數階段都會產生大量排放。
眾所周知，制造芯片的基本材料硅，需在熔爐中燃燒煤炭和木屑混合物，用沙子或石英加工而成。芯片行業需要大量能源和水，而且需求還在持續增長。先進的3納米芯片的生產過程每年可能消耗約80億千瓦時能源。在某些情況下，芯片生產會對社區產生無形的影響。全球最大芯片制造商臺積電（TSMC）消耗了中國臺灣6%的電力和10%的水，導致臺灣出現了供水短缺。 在美國灣區，該行業造成的污染已經使許多地區變成了毒區。
盡管如此，政府和半導體公司現在必須慎重思考如何改善芯片的可持續性。我們剛剛經歷的一次芯片荒，導致經濟陷入困境。芯片荒也讓人們開始關注增加芯片產量和芯片生產本地化可能帶來的經濟和國家安全效益。美國今年早些時候頒布的《芯片與科學法案》（CHIPS and Science Act）掀起了加大芯片生產的勢頭，而解決可持續性問題絕對不能減慢這種勢頭。
解決這個問題的成本并沒有人們想象的那么高。目前大多數人關注的是排放，但芯片行業所產生的排放，僅占全球二氧化碳排放當量的0.1%至0.2%。考慮到芯片生產對經濟的巨大影響，這個比例并不高。
芯片是智能電網、可再生能源轉型、智能和電氣化交通、低碳足跡物流和供應鏈、視頻會議、智能農業、藥物研發和節能生產等領域的關鍵支持因素，這些領域均有助于實現全球可持續發展目標。芯片的經濟影響也有助于提高可持續技術的采用率。可以說，盡管芯片會產生排放，而且能源和水需求龐大，但芯片會帶來積極的端對端可持續性影響。
當前以謹慎的方式實現芯片可持續性意味著什么？
傳統的監管方式可能導致在撥付《芯片法案》的資金之前，每個新芯片生產項目都需要根據《國家環境政策法案》（National Environmental Policy Act，NEPA）進行環境評估。它也可能允許個人在每個環節提起訴訟。然而，這會在注重成本和瞬息萬變的芯片行業，導致長達數年的延誤。《芯片法案》的關鍵目的是超越經濟和地緣政治競爭對手，保證芯片供應，而這些延誤（環境評估平均需要四年時間）和相應的項目成本增加，可能讓這個目的無法實現。相反，應該允許一次性例外，從而加快開始晶圓廠施工和升級，避免延誤。
有人可能認為，這種“免費通行證”可能是危險的，會開創壞的先例。然而，芯片行業在目標設定和自我監管方面做得很好。目前臺積電將2%的年收入投資到綠色倡議，并將其使用的85%的水循環再利用。英特爾（Intel）80%的運營使用可再生能源，而且其在美國、印度和哥斯達黎加生產的淡水超過了其消耗量。三星（Samsung）一半以上的用水會被重復使用。芯片生產的能源和水強度快速下降。可再生能源的使用則在持續增多。新設備和工藝的能源效率大幅提高。
芯片行業之所以能有這么大的改變，一個關鍵原因是將提高可持續性與行業的經濟目標保持一致。減少能源、燃氣和水需求，可以降低成本，使芯片廠商能夠靈活地選擇地理位置。芯片廠商的利潤率足以吸納短期成本。而且他們的客戶通常需要實現可持續性目標。
除了在《國家環境政策法案》下的一次性例外，監管者還應該靈活考慮芯片行業表現不佳的指標。芯片生產工藝經過數十年的發展和完善。將生產工藝中的任何部分替換成更可持續的替代品，需要大量研發投資，但卻無法保證最終可以取得成功。
同樣，今天的半導體供應鏈在效率和成本方面已經高度優化。供應鏈的不同環節為了符合可持續性指標而草率搬遷，可能影響成本和競爭力。對于棕地芯片生產，尤其要靈活應對。改造生產低利潤率芯片的舊晶圓廠（或更換工具、設施和工藝）的成本，可能導致這些晶圓廠失去競爭力。對芯片安全的擔憂正在引起現有供應鏈重組。這個過程必須慎重，保證合規負擔不會導致供應鏈不可靠或失去競爭力。
芯片行業必須持續發展——無論經濟安全還是國家安全都離不開芯片。但發展的過程也必須是可持續的。該行業目前處在一個關鍵轉折點，因此靈活和務實至關重要。（財富中文網）
本文作者拉凱什·庫瑪爾現任伊利諾伊大學（University of Illinois）電子與計算機工程系教授，并著有《勉強的技術愛好者：印度與科技的復雜關系》（Reluctant Technophiles: India’s Complicated Relationship with Technology）一書。
翻譯：劉進龍
審校：汪皓
There is renewed attention on the sustainability of semiconductors. Chorus has been building in recent years to improve the sustainability of chip manufacturing and usage. In 2022, COP27 saw the creation of a Semiconductor Climate Consortium with 60 founding members pledging to reduce emissions to 0% by 2050.
It is understandable why chips would be a target. They are ubiquitous and their number and usage will just keep increasing. Most stages of their complex supply chain–from the extraction of raw materials to transportation of finished goods to the processing, heating, and cooling required in production, to recycling–produce significant emissions.
Silicon, the basic material used to build chips, is famously created in furnaces from sand or quartz by burning a mixture of coal and wood chips. Energy and water needs for the industry to function are high–and keep increasing. The manufacturing of advanced 3nm chips may consume almost 8 billion kilowatt-hours annually. In some cases, the impact on communities has been visible. TSMC, the world’s largest chip manufacturer, consumes 6% of Taiwan’s electricity and 10% of its water, leading to water shortages. And the industry’s contaminants in the Bay Area have rendered a number of sites toxic.
Despite this, governments and semiconductor companies must be careful about how they approach chip sustainability at this time. We just went through a chip shortage that brought the economies to their knees. The shortage also brought to the fore the potential economic and national security benefits of increasing and localizing chip production. The CHIPS and Science Act passed earlier this year in the U.S. has generated momentum behind chip manufacturing–and sustainability issues must be addressed in a way that does not slow this momentum.
This won’t have as much cost as one may imagine. Most of the current focus is on emissions–and the chip industry produces only 0.1 to 0.2% of global carbon dioxide equivalent emissions. This is small when considering the outsized economic impact they produce.
Chips serve as key enablers for smart grids, the transition to renewables, intelligent and electric transportation, low carbon footprint logistics and supply chains, video conferencing, smart agriculture, drug discovery, and energy-efficient manufacturing, each helping make progress toward global sustainability goals. The economic impact of chips also helps greater adoption of sustainable technologies. One could argue that the end-to-end sustainability impact of chips is likely positive–despite their emissions and large energy and water needs.
What does a careful approach to chip sustainability mean today?
A conventional regulatory approach may lead to a National Environmental Policy Act (NEPA)-triggered environmental review for each new chip production project before CHIPS Act funds can be disbursed. It may also allow litigation by private citizens at each step of the process. However, this may introduce multi-year delays in a cost-conscious and fast-moving industry. These delays (environmental reviews take more than four years, on average) and the corresponding increase in project costs may defeat the key purpose of the act–outpacing economic and geopolitical competitors and securing chip supplies. Instead, one-time exceptions should be made that will allow fab constructions and upgrades to start with little delay.
One could argue that this “free pass” may both be dangerous and set a bad precedent. However, the chip industry has done well with goal setting and self-regulation. TSMC now invests 2% of its annual revenue in green initiatives and recycles over 85% of the water it uses. Intel uses renewable energy for over 80% of its operations and produces more fresh water than it consumes in the US, India, and Costa Rica. Samsung reuses over half of its water. Both the energy and water intensity of chip production have been decreasing fast. The use of renewable energy has been on the upswing. New equipment and processes are considerably more energy efficient.
One key reason why the chip industry has done so much is that improved sustainability aligns with their economic objectives. Reducing energy, gas, and water requirements reduces their costs and provides them flexibility in terms of location. Chipmakers have enough margins to absorb short-term costs. And their customers often require meeting sustainability targets.
In addition to one-time NEPA exceptions, regulators should be flexible when considering metrics on which the industry has not done well. Chip production processes have been developed and perfected over decades. Replacing parts of the process with their more sustainable counterparts would require large investments into research and development with no guarantees of success.
Similarly, today’s semiconductor supply chains are extremely optimized for efficiency and cost. A careless relocation of supply chain components simply to meet sustainability metrics can impact cost and competitiveness. Special flexibility should be shown with brownfield chip production. The cost of retrofitting older fabs (or replacing their tools, facilities, and processes) that mostly produce low-margin chips may render these fabs uncompetitive. Chip security concerns are causing a restructuring of existing supply chains. Care must be taken that the compliance burden does not produce unreliable or uncompetitive supply chains.
The chip industry must grow–economic and national security demands it. It is also necessary for this growth to be sustainable. Since the industry is at an inflection point, it will be important to be flexible and pragmatic.
Rakesh Kumar is a professor in the Electrical and Computer Engineering department at the University of Illinois and the author of Reluctant Technophiles: India’s Complicated Relationship with Technology.
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