缺水、断电、染新冠，台积电们为何如此脆弱？

天铭之恋

春生、夏长、秋收、冬藏，千百年来，传统农业根据日照、降雨、气温等季节天气的变化规律指导着农耕生产，" 看老天吃饭 "，也成为了扎根土地的人们一代代口耳相传的古训。
自工业革命伊始，蒸汽机、煤、铁和钢开始减轻人类对畜力、风力和水力由来已久的依赖。随着工业和科技大跃进时代的加深，在今天，互联网打破了人们沟通交流的地理和时空的限制，人工智能逐渐渗入到社会肌理，无土栽培和人造肉似乎处在颠覆传统农业和畜牧业的前夕，人类与自然真的越来越远了吗？
起码，从当今集合了人类尖端技术的晶圆代工厂来说，答案并非如此。现实的结果是，以台积电为代表的晶圆代工厂们正遭受着缺水、断电的困扰，犹如传统农业一般，处处受到自然环境和资源的限制。
投资花费达百亿、千亿的高科技芯片工厂们为何如此脆弱？
最近让中国台湾地区芯片产业人士揪心的事不少，缺水、缺电的问题还没解决，新冠疫情带来的冲击又使得十余名芯片工程师遭到隔离。
据报道，近日台积电一名工程师确诊，其密切接触者超过十人。虽台积电表示该员工已于当日居家进行为期十四天的隔离，但除了台积电外亦有晶圆代工厂世界先进、工业计算机大厂研华、内存厂商宇瞻、南亚科等硬件厂商员工确诊。
台湾地区疫情的整体形势仍然严峻。据央视报道，继 5 月 15 日突然升至 180 例本土确诊后，目前已经连续 10 天单日新增超过百例。5 月 25 日共新增确诊 590 例，包括当日新增的 334 例和 " 校正回归 " 的本土个案 256 例，10 天内累计新增确诊 3584 例。
疫情冲击下，台积电于 5 月 19 日要求部分中高风险地区员工居家办公，确保公司正常运转，产能不受冲击。然而，台湾地区于 5 月 13 日、5 月 17 日全台规模的分区停电让芯片厂商们雪上加霜。
据报道，停电原因或由于高雄的兴达电厂机组跳电，嗣后又陆续有包括桃园大潭电厂、高雄大林电厂机组相继跳电，使得全台 2000 万户的夜间用电遭到限制。
与此同时，台积电仍在继续建厂扩大产能，台积电分别在南科、竹科部署 5nm 和 3nm 的先进制程晶圆工厂，先进制程工厂的耗电量更大，未来的用电量只会迅猛增长。据了解，2018 年，台湾地区新增电力被台积电吃掉 84.7％；2022 年，台积电的 3 纳米厂，将用掉台湾地区 3％的电。届时，芯片产业的用电紧张疑虑恐怕有增无减。
芯片制造业是一个巨大的资源消耗型行业，芯片制造工艺繁多，从硅片制造、芯片设计、晶圆制造再到封装测试，前前后后所需进行的工艺程序不下上千步，其中，不少制造工序对用电量都有巨大的需求。


半导体的制造工序 来源：长江证券整理
芯片制造中一台 EUV 光刻机的单日耗电量就可以达到惊人的 3 万度，而一条生产线中除了先进制程需要用到的 EUV 光刻机，大概还需要上百台成熟制程的 DUV 光刻机，DUV 的耗电量虽然没有 EUV 那么夸张，但也不是小数字。仅在新竹科学园区中就有着十几座晶圆代工厂，其耗电量的惊人程度可想而知，而光刻只是晶圆制造众多程序中的一环。
在晶圆制造中，除了所需的工艺程序和大型设备耗电量巨大，其生产制造环境对温度、湿度、气压、无尘等条件同样要求苛刻，同样需要投入大量的电力来维持这些环境控制设备。
如，芯片制造区间的环境空气过滤，维持无尘的超净环境；环境温度控制，要保持整个工厂的环境温度稳定；制造超纯水清洗硅片；以及全世界产能紧缺的情况下工厂 24 小时连轴运转。
其中晶圆厂对厂区无尘的要求最为苛刻。在对精度要求极高的纳米级芯片制造上，一粒灰尘就可能导致芯片的损坏，越是高性能的芯片对其原材料硅片的纯度要求就越高，以避免其它杂质对其材料的污染。因此，在一般晶圆厂的光刻工作区间内，防尘级别可达到 1 级，即每立方米内 0.1 微米的灰尘不能超过 10 个。
由此种种导致晶圆厂耗费的电量巨大，据绿色和平组织估计，台积电的年用电量占台湾地区总用电量的 4.8%，超过了整个台北市的用电量，恐怖的耗电量也带来了巨量的热能排放，因此产生的通风、制冷设备消耗同样不是小数字。
晶圆工厂不仅是用电大户，其工业用水的需求量只多不少。先进制程对芯片精度的要求非常高，因此晶圆工厂的不少工作区为无尘区间，而一些晶圆生产环节需要用大量的超纯水冲洗来保证产品的良品率。作为芯片晶圆代工厂龙头的台积电，其在台湾地区各工厂的每天用水量达到了近 20 万吨，且用水量在过去十年中增长了近 5 倍。
如今，中国台湾地区水情吃紧，有台媒称这是 59 年以来台湾最严重的一次干旱，岛内不少水库干涸，蓄水量不足平日的十分之一。居民的日常生活用水也受到限制，在台湾地区的苗栗、台中及彰化部分地方已启动一周 " 供五停二 " 分区限水政策，农业用水方面，甚至停止了 7.4 万公顷农田灌溉（近台湾地区灌溉土地的 1/5）。
面对着水荒难题，台积电已经通过使用加油车从其它地区水库运水的方式来解决，但加油车运水不是长久之计，据了解，一辆加油车仅能运 2 吨水左右，晶圆代工厂近 20 万吨巨大的耗水量使得无数加油车奔波在路上，有台媒表示台积电内部为此调高买水与水车调度费至 8 亿新台币（约 1.84 亿元人民币）。为长期解决缺水问题，台积电甚至计划建造海水淡化厂以满足芯片制造的工业用水之需。
除了近期台积电遭遇的系列缺水缺电事故，在全球范围内因自然因素导致的芯片工厂停工事件并不鲜见。今年 2 月，美国德克萨斯州爆发的罕见暴风雪导致奥斯汀的数家半导体工厂停产，其中包括三星、恩智浦。
暴风雪导致德克萨斯州的电网几近瘫痪，居民和工业用电困难，在断电期间，三星位于该州的工厂停产了一个多月时间。据三星发言人表示，在此期间，三星有约 7.1 万个晶圆受到生产中断的影响，预计晶圆损失在 2.68 亿美元至 3.57 亿美元之间。
要使晶圆厂恢复正常生产也不是一件容易的事情，晶圆生产的周期较长，工序复杂、繁多，当某一工序因断电不当停止可能出现前功尽弃的情况，若要将产能恢复至较高水平则需一周或更久。
耐人寻味的是，在全球芯片紧缺之际，三星在被问及是否考虑在奥斯汀继续扩大晶圆产能时，公司官员表示会综合考虑纽约和亚利桑那州的机会。于此同时，台积电计划赴美建设的 5nm 晶圆厂也位于亚利桑那州，另有成熟制程 28nm 晶圆厂计划在南京扩产。
三星、台积电的产能扩张的选址地点，其中是否有保障工厂工业用水、用电需求的考量，其影响因子有多大外界不得而知，但能确定的是，作为现代工业结晶的晶圆代工厂，犹如庞然大物般不断吸取着周边的资源和养分。
科技终究不总是美好的。科技技术含量越高的先进芯片制程，对水资源、电资源的消耗量越是巨大，可于此相对的是，5nm 相相较于 7nm 芯片整体计算力的提升却相对有限。
这就导致行业形成了一个奇怪的悖论——芯片越是追求先进以提高人们的效率、减少消耗，其背后耗费的水电和排放的碳含量却越高。而近期台湾地区的景象似乎表明，未来芯片行业的发展状况取决于地区甚至地球承受资源消耗和碳排放的能力，这种依赖在平日并不明显，但在一些突发和极端情况下，就显示出这个行业的脆弱性，考验着配套的保障能力，这也预示着，芯片的竞争放长来看，将不只是技术本身的争夺，而是综合资源和能力的比拼。