2024 年上半年是美国芯片行业领先公司Nvidia 的巅峰。该公司的全球半导体出货量增长了两倍，凸显了我们时代的一个普遍事实：世界渴望这种微小的技术。然而，这些半导体的生产面临着一个重大挑战：制造它们所需的电能需求不断增长。专家警告说，满足微处理器不断增长的市场需求可能会阻碍绿色转型。用于打印尖端芯片的复杂而精密的设备消耗了大量电能，而电能对于人工智能和数据中心等先进技术至关重要。
具体来说，微处理器（计算机、洗衣机和手机中常见的微型矩形板）是使用复杂的极紫外光刻 (EUV) 机器制造的。此过程涉及将芯片的基础材料硅晶片浸泡在人眼不可见的光波中。
据彭博社报道，这些专业设备的最新型号耗电量约为1兆瓦，相当于西班牙家庭四个月的平均能源消耗量。十年前，美国咨询公司麦肯锡警告称，一家典型的半导体制造厂每年消耗的能源相当于约5万户家庭的能源消耗量。该公司指出，这些“巨型工厂”的用电量比汽车厂和炼油厂的总用电量还要多。
纳米技术专家 José Luis Costa 承认，目前大多数地区并不认为这种情况是个问题，“因为这是一个具有战略意义的关键领域，能源消耗不会受到任何阻碍。”除了消费电子产品外，军工、航天和汽车行业也将芯片作为其产品开发中不可或缺的一部分。根据世界半导体贸易统计，今年年初全球微处理器销售额同比增长 16.3%，达到 397 亿美元，预计 2024 年将再增长 13.1%。
这项技术制造的关键参与者是中国台湾，领先的芯片制造商台湾半导体制造公司（TSMC）的所在地。据估计，全球 60% 至 70% 的芯片产量源自这个东亚小岛。彭博社报道称，由于运行光刻机需要大量电力，预计台积电的能源消耗量将很快超过斯里兰卡等国家（2100 万居民）的总人口。2020 年，该公司约占台湾总能源消耗的 6%，预计到 2025 年这一数字将上升到 12.5%。
问题在于，台湾半导体行业严重依赖化石燃料，据智库 News Lines Institute 的数据，台湾 80% 以上的能源来自煤炭和天然气。为了解决这个问题，台湾当局在 2016 年制定了目标，到 2025 年，通过开发太阳能和海上风电，实现 20% 的电力来自可再生能源。
然而，这一目标似乎越来越难以实现。7 月份发布的最新能源分析显示，预计到 2021 年底，只有 6% 的能源来自可再生能源，这促使官员将目标下调至 15%。正如桃园国立中央大学管理学教授梁启元在彭博社的一份报告中指出的那样，除非芯片制造商开始建设自己的电力供应厂，否则台湾将缺乏支持其半导体产业所需的电力能力。
其他拥有悠久半导体制造历史的国家也面临着类似的困境。在韩国，科技巨头三星运营着六家半导体制造厂，占 2021 年该国能源费用的 3%。然而，为了与台积电直接竞争为外部客户制造芯片，三星计划扩大其 EUV 机器的数量。新设备的涌入对韩国的能源框架构成了重大挑战，因为韩国的能源框架也严重依赖煤炭和天然气。亚洲开发银行的数据显示，截至 2018 年，该国约 80% 的能源来自这些化石燃料。
“芯片制造过程需要极高的精度和严格的控制，这往往会导致对电力和水的巨大需求。此外，半导体制造中使用的许多材料，如硅，都需要密集的、能源密集型的提取和净化过程。出于这些原因，这种生产模式从长远来看是不可持续的，”科斯塔说。
业界认为，半导体技术的进步正在推动其他领域的可持续发展和能源效率的提高。台湾国际工业技术战略研究院认为，台积电每生产一千瓦电力，全球能源节约量可达四千瓦。
科斯塔部分同意这种观点，并指出目前正在研究更可持续的芯片生产方法。这些方法包括使用光来处理信息或探索量子态，这些量子态有望实现高效率，同时显著降低能耗和环境影响。例如，佳能已宣布计划通过纳米打印进入光刻机市场（目前由荷兰公司 ASML主导），科斯塔声称纳米打印可以以极低的成本和能耗实现类似的效果。
芯片行业的其他参与者，例如英特尔，也在努力使其运营更加绿色和可持续，尽管程度较小。这家美国公司在可再生能源使用方面已成功超越其亚洲竞争对手，部分原因是其位于亚利桑那州、新墨西哥州和俄勒冈州的工厂可以使用绿色能源。据彭博社报道，英特尔 2021 年 80% 的电力来自可再生资源，高于上一年的 71%。然而，该媒体还指出，由于制造技术先进，整体用电量正在显著增加。
为了争夺这个需要多层次设计和制造的复杂市场的主导地位，一些国家已投入大量资金发展自己的半导体制造能力，旨在缓解像疫情期间那样的供应链中断。美国已批准了一项 520 亿美元的计划，用于建立自己的工厂，而欧盟已拨款 490 亿欧元（530 亿美元）来吸引外国投资。然而，环境考虑似乎并不是这两个地区的首要任务。“挑战已经太复杂了；在这种情况下，能源和环境问题很遗憾是次要的，”科斯塔说。
光刻机的需求持续激增。彭博情报分析师 Masharo Wakasugi 预测，唯一一家能够设计和制造这些机器的公司 ASML 今年的 EUV 机器销量将增加 30%，从而导致制造国的能源消耗增加。“作为个人，我们必须意识到我们所处的紧急情况，并要求采取行动。如果我们现在不采取行动，20 年后我们将感受到后果，”他警告说。
