“雙碳”大考下的半導(dǎo)體企業(yè)，如何用“芯”交卷？
集微網(wǎng)消息，“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”已成為我國(guó)“十四五”重點(diǎn)任務(wù)之一：力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)被再次強(qiáng)調(diào)。隨著歐盟、美國(guó)、日本等地區(qū)和國(guó)家政策的陸續(xù)出臺(tái)，屆時(shí)占全球經(jīng)濟(jì)總量70%、全球碳排放量65%以上的國(guó)家都提出了碳中和目標(biāo)。
一時(shí)間，“碳達(dá)峰”“碳中和”成為社會(huì)熱詞，不少媒體將2021年稱(chēng)為“碳中和元年”。這一任務(wù)如何實(shí)現(xiàn)？節(jié)能減排是核心工作之一。在“全球缺芯”的背景下，半導(dǎo)體企業(yè)除了問(wèn)革新技術(shù)、擴(kuò)充產(chǎn)能外，如何在“雙碳”大考中交出一份“芯答卷”備受外界關(guān)注。
“碳中和”與半導(dǎo)體企業(yè)的遭遇戰(zhàn)
身處低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，綠色、可持續(xù)發(fā)展已不再是企業(yè)的“加分項(xiàng)”，而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渖婧桶l(fā)展的“及格線。半導(dǎo)體工業(yè)是一個(gè)高能耗產(chǎn)業(yè)，具有設(shè)備的昂貴性、敏感性和制造過(guò)程的復(fù)雜性。當(dāng)半導(dǎo)體企業(yè)與碳中和”狹路相逢“，如何邊發(fā)展、邊降碳，已成為必須要回答的問(wèn)題。
據(jù)了解，一顆芯片的面世，要經(jīng)歷近3000多道工序，在幾十個(gè)足球場(chǎng)大小的工廠里維持超凈、恒溫、高溫高壓、真空、強(qiáng)電磁場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境；同時(shí)，為防止溫度過(guò)高，還需設(shè)置龐大的水冷系統(tǒng)。工廠全年365天、全天24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)疑將帶來(lái)驚人的能耗。
臺(tái)灣民意代表高金素梅也指出，臺(tái)積電是最大工業(yè)用電戶，自2010年到2019年，用電增加223.8％；2020年臺(tái)積電5nm廠投產(chǎn)，一年用電量是63億度，超過(guò)臺(tái)灣地區(qū)東部56萬(wàn)人口的用電量；2022年臺(tái)積電3nm廠投產(chǎn)，每年用電量將達(dá)77億度，超過(guò)臺(tái)南市一年的民生及商業(yè)用電。一個(gè)3nm廠，將吃掉整個(gè)臺(tái)灣地區(qū)用電量的3％。
同時(shí)，根據(jù)2019年《臺(tái)積電企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告書(shū)》顯示，包括中國(guó)臺(tái)灣廠區(qū)、WaferTech、臺(tái)積電（中國(guó)）、臺(tái)積電（南京）、采鈺公司，當(dāng)年臺(tái)積電全球電能消耗量為135.8億度，而臺(tái)灣地區(qū)2019年綠色能源發(fā)電量為140億度。
”雙碳“大考來(lái)臨，不少半導(dǎo)體企業(yè)采取積極應(yīng)對(duì)措施：2020年，英飛凌率先承諾實(shí)現(xiàn)碳中和，并制定”有約束力的減排目標(biāo)“：到2025年將二氧化碳排放量較2019年降低70%，到2030年實(shí)現(xiàn)碳中和；臺(tái)積電承諾，2050年將100%使用可再生能源，并與風(fēng)電公司沃旭達(dá)成合作，每年34.5億度電將用綠色電力代替；而臺(tái)積電在芯片制造領(lǐng)域強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之一的三星也宣布，其在美國(guó)、歐洲和中國(guó)的生產(chǎn)均使用100%的可再生能源；英特爾則宣稱(chēng)，自愿減少碳排放已超過(guò)20年……
不同于早期較高的利潤(rùn)，在能源成本日益高漲的當(dāng)下和碳中和政策持續(xù)加碼的未來(lái)，半導(dǎo)體企業(yè)無(wú)法忽視因能源成本增加而帶來(lái)的高額支出，在節(jié)約成本、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等方面，向制造環(huán)節(jié)提出了更為嚴(yán)格的要求。
逢山開(kāi)路，遇水架橋。當(dāng)前全球半導(dǎo)體制造企業(yè)主要應(yīng)對(duì)措施體現(xiàn)為：一、提高能源效率，在制造領(lǐng)域采用現(xiàn)代化工藝技術(shù)；二、化學(xué)品替代，如使用CVD清潔氣體為NF3替代高GWP的PFC氣體，消除60-70%的排放；三、使用具有來(lái)源保證的100%綠色電力；四、對(duì)于無(wú)法完全避免的排放，以高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)購(gòu)買(mǎi)碳排放證書(shū)，支持具有生態(tài)和社會(huì)效益的項(xiàng)目。
由全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商AMD、英飛凌、IBM、英特爾、臺(tái)積電、飛利浦等組成的業(yè)界聯(lián)盟International Sematech Manufacturing Initiative（ISMI）指出，如果整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)都采取節(jié)能降耗的最佳生產(chǎn)方式，全行業(yè)每年有望節(jié)電48億千瓦時(shí)，約合4.8億美元，足夠17.7萬(wàn)個(gè)家庭使用。
進(jìn)擊的第三代半導(dǎo)體，節(jié)能減排從”芯“開(kāi)始
半導(dǎo)體企業(yè)低碳之路如同硬幣的正反面，既要直面其生產(chǎn)制造過(guò)程中帶來(lái)的”高能耗“，也要關(guān)注到和利用好”高能耗“的另一面，即對(duì)各行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的助推作用。
有別于第一、二代半導(dǎo)體材料，以碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）為材料的第三代半導(dǎo)體具有效率高、能耗小的特點(diǎn)，對(duì)社會(huì)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)展目標(biāo)有著積極作用，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、智能電網(wǎng)、軌道交通、航天航空、新能源汽車(chē)等熱門(mén)新興產(chǎn)業(yè)。
當(dāng)前，電力行業(yè)作為碳排放主戰(zhàn)場(chǎng)，亟需構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，加強(qiáng)電網(wǎng)的柔性互聯(lián)互通，當(dāng)中需要大量的半導(dǎo)體器件。未來(lái)在智能電網(wǎng)建設(shè)或能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，碳化硅器件將會(huì)有非常好的應(yīng)用前景。
近年來(lái)，國(guó)家和地方政府先后出臺(tái)政策促進(jìn)第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國(guó)第三代半導(dǎo)體企業(yè)從小批量研發(fā)”快步“邁向規(guī)模化商業(yè)化生產(chǎn)：2021年5月，山東天岳遞交了科創(chuàng)板上市招股書(shū)，有望成為第一個(gè)科創(chuàng)板上市的碳化硅襯底材料企業(yè)；同年6月，湖南三安半導(dǎo)體基地一期項(xiàng)目正式投產(chǎn)，有望形成月產(chǎn)3萬(wàn)片6英寸碳化硅晶圓的生產(chǎn)能力。
除了第三代半導(dǎo)體，功率半導(dǎo)體器件和模擬芯片在碳達(dá)峰、碳中和中發(fā)揮的作用也不容忽視。有電力電子的”CPU“之稱(chēng)的前者，可在電子設(shè)備中起到對(duì)電能（功率） 的傳輸、處理、存儲(chǔ)和控制；后者則在電子設(shè)備系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著對(duì)電能變換、分配、檢測(cè)及其他電能管理的職責(zé)。
由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于節(jié)能減排的重要意義至少體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，有效降低半導(dǎo)體器件自身的功耗；同時(shí)，直接或間接地提高系統(tǒng)其他部件的能效，在能量的傳遞和使用的全過(guò)程中，起到監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)、優(yōu)化和控制的作用。
當(dāng)前，有利于能源轉(zhuǎn)型的半導(dǎo)體新技術(shù)、新創(chuàng)造已成為邁向碳達(dá)峰、碳中和的有力抓手和破題關(guān)鍵。
身處碳交易市場(chǎng)，特斯拉的另類(lèi)啟示
每噸52.78元，成交16萬(wàn)噸，交易額790萬(wàn)元——這是全國(guó)碳交易市場(chǎng)開(kāi)市2分鐘后的第一筆交易。7月16日，全國(guó)碳交易市場(chǎng)在北京、上海、武漢三地鳴鑼開(kāi)市，國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略部署拉開(kāi)帷幕。
當(dāng)前，建立全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)，已然成為中國(guó)利用市場(chǎng)機(jī)制推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，減少和控制溫室氣體排放的重要制度創(chuàng)新，也是實(shí)現(xiàn)”雙碳目標(biāo)“的重要政策措施，對(duì)碳市場(chǎng)格局具有積極促進(jìn)作用，且有跡可循。
2021年6月10日，搭載了由碳化硅（SiC）為主要器件的逆變器的特斯拉 Model S Plaid 發(fā)布（迄今為止，已有3款車(chē)型采用 SiC 技術(shù)）。除此之外，比亞迪、蔚來(lái)搭載SiC 技術(shù)的車(chē)型也已推出或即將發(fā)布；仍然是特斯拉，近3年來(lái)通過(guò)銷(xiāo)售碳排放積分（該政策與我國(guó)碳交易有所不同，但本質(zhì)不變），分別獲利4.19億美元、5.93億美元和15.8億美元，而其2020年全年凈利潤(rùn)僅為7.21億美元。這意味著，如果剔除出售碳排放積分的收益，則2020年特斯拉虧損8.59億美元。
依靠半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)新能源車(chē)排放的有效管理，特斯拉彌補(bǔ)了因高額研發(fā)支出帶來(lái)的”失血“，這種模式在傳統(tǒng)碳稅政策下不可想象。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)可幫助各行業(yè)減少碳排放獲得收益，而半導(dǎo)體企業(yè)同樣大有可為。
例如，半導(dǎo)體企業(yè)可通過(guò)技術(shù)升級(jí)改造出售排放權(quán)獲益，具體措施上可通過(guò)在腐蝕和CVD室清潔過(guò)程中減少氟化物的排放而獲得排放權(quán)；同時(shí)，由于參加排放交易，半導(dǎo)體企業(yè)可進(jìn)一步證實(shí)其在節(jié)能減排方面所作的積極承諾，提升其對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)的行業(yè)形象。
機(jī)遇與挑戰(zhàn)總是結(jié)伴而行。怎樣如期實(shí)現(xiàn)企業(yè)各自承諾的目標(biāo)與計(jì)劃？如何利用先進(jìn)技術(shù)反哺產(chǎn)業(yè)？”碳中和“視角下，各行各業(yè)的低碳之路正在不斷延伸和迭代。