台积电缺水，世界缺芯

shuszhao · 发表于 2021-4-4 15:03:42

自从2020疫情以来，半导体行业经历了一系列的的波澜起伏，先是疫情影响开工，而恰恰又是疫情导致半导体行业需求强劲，特别是第三季度，全球半导体行业异常火爆，8寸晶圆处于满载状态，台积电甚至相比同期有了30%以上的增长。然而，下半年后，风向开始变化，原材料短缺，缺芯涨价逐渐凸显，到2021年的时候，这一局面从最初的汽车行业开始，几乎波及到了需要芯片的各行各业。
2020年也是中国台湾地区56年来首次没有台风通过的一年，当台湾地区人民庆幸完美避开了所有台风的时候，却发现开始缺水了。特别是台积电。

台积电缺水

2021年2月23日，台积电发言系统证实：新竹、台中、台南各科学园区台积电厂区的确部分启动水车供水。

面对缺水情况，据称台积电花费2亿新台币从外地预定上百辆卡车运水。
从3月20日开始，持续到7月18日，勤美公司将可以在09:00至16:00和19:00至次日07:00进行运水作业。罐车的目的地将是台积电位于台中市中科园区的Fab 15。台积电利用该厂在7nm工艺节点上制造半导体，尤其是其N7+工艺，这是第二代7nm，它利用极紫外光（EUV）光刻机进行生产。
为什么台积电需要这么多水？很显然生活用水不需要这么多，更多的是用来生产芯片。

芯片生产需要多少水？

我们来看一道考试题：

“虚拟水”是一个环保名词，这个概念计算的是食品和消费品在生产及销售过程中的用水量。比如，一杯咖啡在种植、生产、包装和运输的过程中需要消耗140升水，相当于一个英国人平均每天的饮用和生活用水量。汉堡包从外表来看和水搭不上关系，由于夹着肉饼，耗水量更加惊人，一个汉堡包需要消耗约2400升水。不光是食品，其他消费品也要消耗“虚拟水”。
而生产一个2克重的计算机芯片，需要32公斤水资源。
这是考题中的标准答案，实际上随着芯片制程工艺的提升，需要的水越来越多。

芯片生产需要什么样的水？

在芯片半导体的生产加工过程中，对于水质的要求越来越高。为了保证生产出超大规模的集成电路，除高纯原材料、高纯气体、高纯化学药品外，超纯水也是其中最关键的因素之一。
半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态。因此，需要用超纯水来进行清洗。

什么是超纯水？

超纯水（Ultrapure water）又称UP水，是为了研制超纯材料（半导体原件材料、纳米精细陶瓷材料等）应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其它适当的超临界精细技术生产出来的水，其电阻率大于18 MΩ*cm，或接近18.3 MΩ*cm极限值（25℃）。
这种水中除了水分子外，几乎没有杂质，更没有细菌、病毒、含氯二噁英等有机物，当然也没有人体所需的矿物质微量元素，也就是几乎去除氧和氢以外所有原子的水。
这样的水是一般工艺很难达到的程度，理论上可以采用二级反渗透再经过串联的混合型交换树脂柱对二次反渗水进行处理，但是交换树脂的再生不便，质量难以保证。
在日本的歧阜县废弃矿山下，深达1000米处就藏着一处人造科技奇迹：“日本大水缸”——超级神冈探测器，这里的水堪称超纯水，不仅不掺杂一点物质，水质达到极限，而且一旦有物质掉落进去也会被逐渐溶解。

据说有一个叫马莱克的研究员在未运行状态下，不小心将头发尖接触到了超纯水，但是下班后，他感觉全身奇痒无比，检查后发现，原来是超纯水从发梢将他的营养物质吸走了。1995年安装时工人掉落的一个扳手，在2000年排干检查时已经找不到任何痕迹：它已经完全被溶解了。
这个超级神冈探测器，它的真实用途是探测质子衰变，寻找太阳和地球大气的中微子，并观测银河系内超新星爆发。

台积电缺水情况

台湾地区看似不会缺水，但由于是一个孤岛，岛内的大型河流少，淡水资源非常匮乏，虽然降水量非常充沛，但是留不住，再加上台湾地区人口较多，因此水资源匮乏。这点与香港类似，但是台湾地区还有大量的工业，特别是半导体代工企业如台积电等耗电大户。
据悉，汇集半导体、面板等科技大厂的新竹科学园区（竹科），年产值逾新台币一兆元，每日用水量约十五万吨，占新竹地区每日用水量近三成。
"一辆水车大约可载二十吨，一趟约三万元（新台币），以台积电竹科厂每日用水量五万七千吨计算，若全靠水车载运，一天就要新台币八千五百万元（约1956万人民币）！ "台湾地区高虹安指出。
据台积电计算，其三大园区每日用水量高达 15 .6万吨。约占供应园区的主要水库每日供水量的5%。
对台积电这样的纯晶圆制造厂来说，制造过程需要消耗大量水，典型的8寸晶圆制造每小时耗水250立方米，12英寸晶圆则可以达到500立方米。台积电每年的晶圆产能约3000万片，而且还在不断增长。那么台积电一年的耗水量在160亿到170亿吨之间。其耗水量差不多达到半个三峡大坝的总蓄水量（393亿立方米）。如果台积电产能再增加，其耗水量将接近三峡大坝的防洪库容（221.5亿立方米）。

台积电芯片代工占世界比例

半导体市场研究公司IC Insights于今年2月份公布了截至2020年12月的全球晶圆产能领先企业产能排名（按200毫米当量的月装机容量计算）。前五大晶圆制造商的产能均为每月至少150万片起步，全球占比增至54%。

资料来源：IC Insights

虽然排名第二，但台积电是全球最大的纯晶圆代工厂，每月产能约270万片，占全球总产能的13.1%。2020年，该公司在台南Fab 14工厂附近新工厂综合体的首批两期开业。Fab 18 的第 1 阶段和 2 期正在批量生产，第 3-6 阶段的设施正在建设中。台积电在2020年也在台中Fab 15开通了10期产线。
而据台积电对今年半导体市场的展望，2021年不包括记忆体的半导体产业年成长率将达8％，晶圆代工市场规模年成长率达10％。

台积电或将产能分散

地震、缺水以及地缘政治关系，这些将是世界促使台湾地区半导体供应链考虑分散出去的原因。早在缺水发生之前的2020年，台积电就宣布到美国设厂，现在全球芯片短缺，欧洲各国近期也希望加强自己国内的半导体生产，分散晶圆制造产地将成为未来半导体生产的趋势。
目前台积电已启动在美国亚利桑那州5纳米12寸厂建厂计划，该厂将在今年动工，于2024年开始量产，规划月产能为2万片晶圆，但台积电预期该厂在缺乏足够的周边供应商群聚效应情况下，营运成本可能偏高。台积电在当地取得很大的建厂土地，足以因应未来可能的扩产规模，但现在还没有具体扩产计划。
未来，台积电或许也将在欧洲建厂，更大范围的分散生产能力，减少风险，提高产能。

结语

目前，世界缺芯涨价已经在短期内形成了一种不可逆转的态势，预计至少要到2022年缺芯的局面才会有所缓解。
今后芯片市场将不再是买方市场，那种终端厂家以巨量为条件与芯片厂家谈判要求降价的时代也发生了逆转，终端厂家需要什么样的芯片将首先考虑产能。也许，芯片生产卖方市场的时代已经来临，芯片价格也将更加体现其在半导体行业的核心价值。
台积电的产能虽然只有全球的13%左右，但是一方面由于台积电是纯晶圆制造厂，另一方面其所有能生产的工厂均集中在台湾地区，因此，台积电的缺水将会给本就缺芯的全球半导体业带来重要的影响。