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,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,根据中国台湾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三成能量,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 250W 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 250W 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125 WPH(每小时处理晶圆数)提升到了175 WPH,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%。
需要指出的是,由于台湾的煤炭、石油、天然气、水利资源都比较匮乏,这也导致了台湾所需的能源99%需要靠进口。更为关键的是,在2011年日本大地震导致日本福岛第一核电站发生泄露之后,台湾就开始逐步“去核化”,这也进一步加重了台湾的能源危机。