展望2nm工藝的可持續(xù)性

隨著半導(dǎo)體制造復(fù)雜性的不斷增加，相關(guān)的排放量正在以驚人的速度增長(zhǎng)。TechInsights Manufacturing Carbon Module 數(shù)據(jù)顯示，位于俄勒岡州的下一代 2nm 晶圓廠將生產(chǎn) ~30 萬(wàn) MtCO2e 每年消耗超過(guò) 400 GWh 的電力。鑒于對(duì)電力和范圍 2 排放的依賴，晶圓廠選址也起著重要作用，位于臺(tái)灣的同等晶圓廠每年產(chǎn)生的排放量幾乎是其三倍。

有勝利。具有高晶體管密度的精細(xì)工藝可以大大減少每個(gè)晶體管的輻射。半導(dǎo)體制造的碳中和是可能的，但正如我們將要展示的那樣，這需要齊心協(xié)力，并對(duì)可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量投資。

通往 2nm 之路

英特爾、三星和臺(tái)積電都有望在未來(lái) 12-18 個(gè)月內(nèi)發(fā)布下一代 logic 工藝。TechInsights 最近提出了一個(gè)技術(shù)展望，預(yù)計(jì)實(shí)施方面存在重大差異。

臺(tái)積電在 IEDM 2024 上詳細(xì)介紹了其 2nm 工藝。預(yù)計(jì)將于 2025 年下半年在臺(tái)灣開(kāi)始量產(chǎn)。英特爾的等效工藝稱為“18A”，也計(jì)劃在同一時(shí)間范圍內(nèi)生產(chǎn)，第一個(gè)使用該工藝的產(chǎn)品已經(jīng)確定——英特爾的下一代 Panther Lake CPU。三星于 2023 年發(fā)布了業(yè)界首個(gè)全能門 （GAA） 工藝，然后在去年發(fā)布了量產(chǎn)部件（三星 Galaxy Watch7 的 W1000 處理器）。三星目前計(jì)劃等到 2026 年發(fā)布其 2nm 工藝。

臺(tái)積電的工藝將成為最密集的，而英特爾則率先推出反向供電 （BSPD） 網(wǎng)絡(luò)，他們稱之為“Power Via”，從而突破極限。三星已經(jīng)擁有 3nm 的 GAA 經(jīng)驗(yàn);如果它的產(chǎn)率足夠，理論上可以在將該工藝擴(kuò)展到 2nm 時(shí)提供一些優(yōu)勢(shì)。這個(gè)下一代節(jié)點(diǎn)的獨(dú)特工藝流程，加上晶圓廠的選址和布置，將影響這些先進(jìn)工藝對(duì)環(huán)境的影響。

范圍 2 排放和芯片良率的巨大影響

鑒于先進(jìn)工藝的復(fù)雜性和功耗不斷增加，兩個(gè)因素對(duì)于減少排放至關(guān)重要 - 本地電網(wǎng)碳強(qiáng)度和產(chǎn)量。

對(duì)于此處的計(jì)算，我們將假設(shè)基于位置的電力（即基于晶圓廠位置的電網(wǎng)碳強(qiáng)度）。

從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來(lái)看，芯片良率至關(guān)重要;較低的良率意味著每個(gè)晶圓的合格芯片較少，從而增加了生產(chǎn)每個(gè)工作芯片的成本。盡管發(fā)布了業(yè)界首個(gè) GAA 工藝，但三星的 SF3E 和 SF3 僅在相對(duì)小批量的市場(chǎng)中出現(xiàn)，并且使用小芯片尺寸。三星 Galaxy S25 系列沒(méi)有配備三星生產(chǎn)的新 Exynos 處理器這一事實(shí)引發(fā)了人們對(duì) SF3 工藝良率是否足夠高以應(yīng)對(duì)該應(yīng)用的處理器尺寸和體積的問(wèn)題。雖然低良率意味著每個(gè)芯片的成本更高，但碳排放也是如此。

從 TechInsights Manufacturing Carbon Module 獲取數(shù)據(jù)，我們來(lái)分析一些具體的例子。由于晶圓廠在不同的時(shí)間上線，具有不同的吞吐量，并且具有不同的供應(yīng)鏈，因此很難進(jìn)行同類比較。因此，鑒于 2nm 工藝需要幾年時(shí)間才能完全達(dá)到峰值產(chǎn)能，讓我們展望 2028 年;此時(shí)，3nm 和 2nm 都將是大批量運(yùn)行的成熟工藝。

圖 1 比較了電網(wǎng)碳強(qiáng)度的兩種相反的極端情景，以英特爾和臺(tái)積電的晶圓廠為例，它們應(yīng)該都在今年投入生產(chǎn)，并在 2028 年之前全面投產(chǎn)。

特定Fabs.png的收益權(quán)衡

圖 1 比較具有不同本地電網(wǎng)碳強(qiáng)度的先進(jìn)邏輯工藝。來(lái)源：TechInsights Manufacturing Carbon Module，2025 年

英特爾具有固有的電力優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠?3nm 和 18A 工藝將在愛(ài)爾蘭和美國(guó)俄勒岡州相對(duì)低碳的電網(wǎng)中制造。

臺(tái)積電至少在最初將遭受臺(tái)灣可再生能源挑戰(zhàn)，正如去年在深入的 TechInsights 分析中所討論的那樣。雖然 2nm 最終可能會(huì)在亞利桑那州臺(tái)積電生產(chǎn)，但可能需要 2030 年才能實(shí)現(xiàn)。到 2028 年，臺(tái)灣電網(wǎng)碳強(qiáng)度仍有望達(dá)到愛(ài)爾蘭或俄勒岡州的 2 倍以上。

與此同時(shí)，如果歷史是一個(gè)很好的指標(biāo)，預(yù)計(jì)臺(tái)積電將有非常好的收益率，而對(duì)英特爾近期收益率的信心較低。正如 TechInsights 2nm 技術(shù)展望中所討論的那樣，一些消息來(lái)源表明英特爾的 18A 良率低至 10%。在 TechInsights，我們認(rèn)為這不太可能，而且當(dāng)芯片制造商開(kāi)始量產(chǎn)時(shí)，它的產(chǎn)量肯定會(huì)顯著提高。盡管如此，英特爾與生俱來(lái)的電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)意味著，即使英特爾的 18A 在其俄勒岡州工廠的產(chǎn)量?jī)H為 60%，這仍然會(huì)產(chǎn)生與臺(tái)灣臺(tái)積電 2nm 工藝相似的排放，即 90%。換句話說(shuō)，如果兩個(gè)工藝的產(chǎn)量均為 90%，那么臺(tái)積電 2nm Taiwan 工藝的排放量將增加 47%。

哪種下一代制造工藝最可持續(xù)？

三星呢？韓國(guó)的電網(wǎng)碳強(qiáng)度略好于臺(tái)灣，但仍是俄勒岡州的兩倍多。然而，三星正在德克薩斯州泰勒建造一座先進(jìn)的工廠，到 2026 年底可以生產(chǎn) 2nm。因此，現(xiàn)在讓我們切換到“2028 年最佳情況”，假設(shè)收益率為 90%。誰(shuí)是贏家？表 1 顯示了一些重要的權(quán)衡。

表 1.2028 年代工廠生產(chǎn) 2nm 芯片的最佳情況。來(lái)源：TechInsights 的制造碳模塊，2025 年。

在這種情況下，三星在每芯片的基礎(chǔ)上獲勝，因?yàn)榈驴怂_斯州的電網(wǎng)碳強(qiáng)度較低，而三星工藝的掩模數(shù)量較少。

如果我們以按晶體管縮放的方式看待事物，就會(huì)發(fā)生一個(gè)有趣的平衡。TechInsights 對(duì)所有 2nm 等效工藝進(jìn)行了晶體管邏輯密度計(jì)算，并認(rèn)為它們?nèi)缦拢焊呙芏冗壿媶卧w管密度為 313 MTx/mm2用于臺(tái)積電，238 MTx/mm2適用于 Intel，以及 231 Mtx/mm2對(duì)于三星。由此，我們還可以計(jì)算出 CO2e/MTx 的數(shù)字。在這種情況下，三星仍然獲勝。然而，情況要接近得多，由于晶體管密度高于三星工藝，臺(tái)積電更具競(jìng)爭(zhēng)力。

這些結(jié)果仍應(yīng)被視為初步的預(yù)期;所有過(guò)程都仍然存在問(wèn)題。在撰寫(xiě)本文時(shí)，盡管臺(tái)積電臺(tái)灣工藝的排放量最高，但它似乎確實(shí)是最有可能按計(jì)劃進(jìn)行的過(guò)程。據(jù)報(bào)道，三星的德克薩斯州項(xiàng)目與英特爾的項(xiàng)目一樣，產(chǎn)量較低。假設(shè)亞利桑那州的臺(tái)積電 2nm 工藝在本世紀(jì)末加速發(fā)展。在這種情況下，臺(tái)積電也將受益于美國(guó)較低的網(wǎng)格強(qiáng)度，而這一工藝，再加上其增加的晶體管密度，將成為巨大的贏家。

2nm 實(shí)現(xiàn)碳中和需要什么？

作為最后一個(gè)思想實(shí)驗(yàn) - 如何使 2nm 等效晶圓廠完全碳中和？讓我們回到 2028 年俄勒岡州的 Intel 18A 和 TSMC 2nm 的初步例子。表 2 細(xì)分了每個(gè)晶圓廠一年的排放量。

表 2.按范圍劃分的晶圓廠每年碳排放總量。來(lái)源：TechInsights 的制造碳模塊，2025 年。

在臺(tái)灣的例子中，范圍 2 排放占主導(dǎo)地位;然而，Intel 發(fā)生了一些奇怪的事情。盡管具有與 TSMC 工藝相似數(shù)量的掩模，但涉及 EUV 光刻的掩模要少得多。（我們估計(jì)英特爾芯片有 17 個(gè)掩碼，而臺(tái)積電有 24 個(gè)掩碼。BSPD 的實(shí)現(xiàn)允許在 Mx 層中實(shí)現(xiàn)寬松的間距，并減少多重圖形化）。這意味著范圍 2 的貢獻(xiàn)要低得多，盡管仍占總數(shù)的 38%。

范圍 2，即與電力消耗相關(guān)的間接排放，是指安裝可再生能源（如太陽(yáng)能）可能會(huì)直接影響排放的地方。這將抵消英特爾晶圓廠每年使用的 428 GWh 總量多少？

假設(shè)這家英特爾工廠所在的俄勒岡州地區(qū)的太陽(yáng)能發(fā)電容量系數(shù)為 20%，那么 1 MW 的太陽(yáng)能光伏裝機(jī)容量每年將產(chǎn)生 1.752 GWh 的發(fā)電量。因此，需要一個(gè) 244 MW 的太陽(yáng)能光伏裝置來(lái)抵消該工廠的電力消耗。就所需的土地面積而言，這相當(dāng)于大約 12.5 公里2數(shù)組。臺(tái)灣的臺(tái)積電的太陽(yáng)能容量系數(shù)較低，鑒于耗電量較高，與俄勒岡州的英特爾相比，總共需要大約三倍的裝機(jī)容量。

當(dāng)然，范圍 2 只占故事的 38%。雖然范圍 1 排放量已經(jīng)相對(duì)較低（我們估計(jì)該晶圓廠的氣體減排量為 98%），但剩余的 2% 將極具挑戰(zhàn)性，甚至可能無(wú)法以今天的技術(shù)減排。因此，碳中和的唯一途徑可能是使用碳抵消。范圍 3 也很復(fù)雜，需要在整個(gè)供應(yīng)鏈中保持一致。如果我們要對(duì)剩余的 18 萬(wàn) MtCO 嘗試抵消方法2,環(huán)境保護(hù)署 （EPA） 的數(shù)據(jù)顯示，這相當(dāng)于近 200,000 英畝（~8,000 公里）2） 美國(guó)森林一年的封存碳價(jià)值）。在 TechInsights 對(duì) Apple 尋求碳中和的分析中，我們討論了其實(shí)現(xiàn)碳中和的碳抵消方法。有關(guān)上述數(shù)字的其他背景信息 – Apple 抵消 30 萬(wàn) MtCO22022 年，在其碳中和 Apple Watch 計(jì)劃開(kāi)始時(shí)，估計(jì)增加到 100 萬(wàn) MtCO22025 年。顯示抵消這些排放水平是可能的，但并不簡(jiǎn)單。

這些問(wèn)題不僅對(duì)晶圓廠的報(bào)告目的很重要，而且對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈（即無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司或產(chǎn)品制造商）也很重要。這將繼續(xù)推動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體價(jià)值鏈合作，并在控制先進(jìn)半導(dǎo)體制造排放方面取得有意義的進(jìn)展。故事并沒(méi)有就此結(jié)束;正如最近的 TechInsights 分析中所討論的那樣，2nm 將使用額外的水和含 PFAS 的化學(xué)品。