全台湾用电过去 5 年的增加量，约三分之一由台积电贡献。接下来，随着导入“救世主”技术──EUV 微影技术，用电还会暴增。台积电评估，5 奈米制程用电会是目前主流制程的 1.48 倍。
很多人都忘了，台积电董事长张忠谋曾在 2 年前准确预言今日的缺电危机。
2015 年底，当时的总统马英九到参观台积电中科厂。当时张忠谋便指出，目前台湾最大的隐忧之一就是缺电，他并指出台湾 2017 年可能面临限电危机，“这对产业影响相当大”。
张忠谋并随后在媒体提问时指出，停电对于台积电的影响“几乎不可估计”。他说，台积电每个厂都有备用电源，但备用电源的用电成本比起台电提供的电贵 3 倍，如果未来长期限电“这就很累了”。
其实，过去一段时间，张忠谋几乎每次公开发言，都会提到“电”。他到底在担心什么？答案就藏在今年 1 月 18 日，环保署通过的台南科学园区扩建案的环境差异影响评估里头。
因为台积电计划于 2020 年量产的 5 奈米制程，决定放在南科厂，导致南科的用水、用电量暴增，大幅超过当初园区的规划量，因此依法得做环境差异影响评估。
用电增幅狂飙 46%
其中，用电增幅极为惊人，从原本规划的 152 万瓩，增加至 222 万瓩，大幅增加 46％。
根据南科管理局提供给环保署的文件，台积电的 5 奈米制程，估计用电量 72 万瓩，几乎与南科申请新增的用电功率相当。
这个数字究竟有多大？根据台电资讯，东部用电量约在 40 到 50 万瓩之间。也就是说，台积电一个新厂的用电量，将比整个东台湾 56 万人口的用电量还多上不少。
半导体的制造，本来就是高度耗电的过程。尽管台积电每年花费偌大人力、心力节省电力，但仍改变不了，采用各种先进科技及复杂化学品的晶圆厂、同时也是吃电大怪兽的事实。
根据台积电企业社会责任报告书，2016 年用电量为 88.53 亿度，较前一年增加 11％。
这个用电成长率，与台积电业绩的成长高度符合。台积电董事长张忠谋在 2009 年重新接任首席执行官之后，每年法说会都向投资人保证，每年营收都会维持二位数成长，用电量也大致维持相同比例成长。
结果是，过去 5 年间，台积电大举扩产，股价与业绩一再创下新高之际。总体用电量也增加 102％，整整翻了一倍有余。
“救世主”技术上线，却是吓死人地耗电
台积电也因此成为台湾用电成长的主要“贡献者”之一。
根据能源局统计资料，同时间全台湾工业部门的用电仅增加 6%。而这个增加量当中超过一半是台积电贡献。
全台湾用电量，过去 5 年的增加量当中也有 33.6%，差不多三分之一的增加量由台积电贡献。
而且，在可预见的未来，这家世界级半导体天王每年用电增加的幅度，只怕还会加速扩大。因为半导体制程技术，又到了改朝换代时刻。
台积电预计 2019 年量产的 7 奈米制程的第二版本──7 Plus，部分制程将首度导入极紫外光（EUV）微影制程，这是半导体产业期待已久的“救世主”技术。
目前半导体制程的主流光源是氩氟激光，波长为 193 奈米，当晶体管尺度已微缩到几十奈米时，就像用一支粗毛笔写蝇头小字一般，生产起来有点力不从心。这也是近几年，摩尔定律即将告终的声浪不断的主因。
极紫外光的波长仅有 13.5 奈米，业界期望这支“超细字小楷”能够让摩尔定律再延伸至少 10 年。
洒百亿购入梦幻设备 足以买下两架 A380
今年 1 月，台积电 5 奈米案环差评估案通过的同一星期。独家生产 EUV 微影机台的荷兰商艾司摩尔（ASML）在法说会宣布，已接到 EUV 微影机台 6 部订单。根据《霸荣周刊》（Barron’s）报导，分析师推测，台积电订走了其中 5 台，亦即一口气买下 5.5 亿美元（约 167.8 亿台币）的设备。
这个价钱，几乎可以买下两台世界最大民航机──空巴 A380。
除了昂贵之外，但对台湾而言，EUV 这个“救世主”技术还有一个大缺点──耗电。
有多耗电？“吓死人！”台积电 300mm Fabs 厂务处资深处长庄子寿心有余悸地说。他今年 3 月在一场记者会接受《天下》访问时表示，他希望未来台积电 EUV 用得“愈少愈好”，“因为太贵了，用的电也太大了。”
艾司摩尔至今尚未公布 EUV 机台的耗电功率，但世界第二大内存制造商、韩国的 SK 海力士曾在 2009 年的 EUV Symposium 表示，EUV 的能源转换效率（wall plug efficiency）只有 0.02% 左右。
这个数字现在广为业界引用。也就是说，当前最先进的 EUV 机台能输出 250 瓦功率的 EUV，需要输入 0.125 万瓩的电力，这个耗电量是传统氩氟激光的 10 倍以上。
“要把光压到这么短的波长，需要很强很强的能量，”庄子寿解释。
连冷却系统用电也不容小觑
事实上，过去几年，EUV 机台的输出功率过小，迟迟无法达到量产要求，是这个梦幻技术一再延误上市时机的主要理由。
台积电法说时，负责先进制程的共同首席执行官刘德音也常被分析师问到，他期待的 EUV 机台功率、量产速度各为多少？
在 5 年前，艾司摩尔试验机台的输出功率还仅有 25 瓦。但就在上个月，该公司达到历史里程碑。在旧金山的 2017 年 Semicon West 半导体设备展，艾司摩尔宣布，该公司已成功地将 EUV 光源功率提升到 250 瓦，晶圆生产速度因此达到每小时 125 片──这都是台积电、英特尔等大客户之前提出的量产最低要求。现有的微影系统量产速度为每小时 200 片以上。
为什么提升功率这么难？
曾与台积电合作 EUV 光源研究的台大电机系教授黄昇龙解释，主要是卡在散热问题。他在台大的 EUV 实验机组，输出功率仅有毫（千分之一）瓦等级，水冷系统整个架起来就有一个房间这么大。晶圆厂的 EUV 量产系统输出功率是台大的上万倍，要怎样将热导出去，是很复杂的技术难题。而且，“冷却系统也得耗上不少电，”黄昇龙说。
整个 EUV 技术商用化的过程之艰辛、投入研发金额之钜，堪称半导体业的“登月计划”。曾有业者估计，整个业界投入的研发经费超过 200 亿美元（约台币 6,100 亿元）。
EUV 称为“极紫外光”，但物理特性与一般常见的紫外光差异极大。
首先，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 3 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。
为了确保供电，台积电曾考虑自盖电厂
然而，半导体除了最核心的微影，还有蚀刻、蒸镀、平面化等多道制程。导入高耗电的 EUV 光源，这道制程对于整厂的用电影响有多大？
这次南科新厂的环差评估过程，台积电主管出示的一张投影片，给了清楚的答案。
若以厂房单位土地规划用电来算，5 奈米制程用电是当今台积电的主流 28 奈米制程的 1.48 倍。也就是说，如果同样都是 40 公顷的厂区，2020 年量产的 5 奈米制程，总用电会是目前的一倍半。
“而且，5 奈米应该只有一半制程用到 EUV，”一位外资分析师说。他表示，由于 EUV 技术极为昂贵，台积电仍只有在部分较难的制程才采用新技术。但到了在下一个世代，已经逼近摩尔定律极限的 3 奈米制程，EUV 采用比例就会大幅增加，用电量会进一步暴增。
去年 6 月，行政院长林全首度透露，台积电有意自盖电厂。这位分析师表示，当时台积电就是担心大量导入 EUV 光源的 5 奈米制程，南科电力系统无法负荷，直到台电出具供电保证，才打消念头。
一位台积电前主管表示，台积电的企业文化是高度专注本业，像自盖电厂这类事，“过去根本连想都不会想，会去考虑这件事，就表示缺电非常严重。”
但接下来更耗电的的 3 奈米制程，便传出台积电有意设厂美国，除了土地与环评，电力稳定度也是考量因素之一。
在第二季法说会上，台积电共同首席执行官刘德音表示，3 奈米的选址决定明年上半年将会正式决定，目前仍是以台湾为优先。
（本文由 天下杂志 授权转载；首图来源：科技新报）
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