全台灣用電過去 5 年的增加量，約三分之一由台積電貢獻。接下來，隨著導入「救世主」技術──EUV 微影技術，用電還會暴增。台積電評估，5 奈米製程用電會是目前主流製程的 1.48 倍。
很多人都忘了，台積電董事長張忠謀曾在 2 年前準確預言今日的缺電危機。
2015 年底，當時的總統馬英九到參觀台積電中科廠。當時張忠謀便指出，目前台灣最大的隱憂之一就是缺電，他並指出台灣 2017 年可能面臨限電危機，「這對產業影響相當大」。
張忠謀並隨後在媒體提問時指出，停電對於台積電的影響「幾乎不可估計」。他說，台積電每個廠都有備用電源，但備用電源的用電成本比起台電提供的電貴 3 倍，如果未來長期限電「這就很累了」。
其實，過去一段時間，張忠謀幾乎每次公開發言，都會提到「電」。他到底在擔心什麼？答案就藏在今年 1 月 18 日，環保署通過的台南科學園區擴建案的環境差異影響評估裡頭。
因為台積電計劃於 2020 年量產的 5 奈米製程，決定放在南科廠，導致南科的用水、用電量暴增，大幅超過當初園區的規劃量，因此依法得做環境差異影響評估。
用電增幅狂飆 46%
其中，用電增幅極為驚人，從原本規劃的 152 萬瓩，增加至 222 萬瓩，大幅增加 46％。
根據南科管理局提供給環保署的文件，台積電的 5 奈米製程，估計用電量 72 萬瓩，幾乎與南科申請新增的用電功率相當。
這個數字究竟有多大？根據台電資訊，東部用電量約在 40 到 50 萬瓩之間。也就是說，台積電一個新廠的用電量，將比整個東台灣 56 萬人口的用電量還多上不少。
半導體的製造，本來就是高度耗電的過程。儘管台積電每年花費偌大人力、心力節省電力，但仍改變不了，採用各種先進科技及複雜化學品的晶圓廠、同時也是吃電大怪獸的事實。
根據台積電企業社會責任報告書，2016 年用電量為 88.53 億度，較前一年增加 11％。
這個用電成長率，與台積電業績的成長高度符合。台積電董事長張忠謀在 2009 年重新接任執行長之後，每年法說會都向投資人保證，每年營收都會維持二位數成長，用電量也大致維持相同比例成長。
結果是，過去 5 年間，台積電大舉擴產，股價與業績一再創下新高之際。總體用電量也增加 102％，整整翻了一倍有餘。
「救世主」技術上線，卻是嚇死人地耗電
台積電也因此成為台灣用電成長的主要「貢獻者」之一。
根據能源局統計資料，同時間全台灣工業部門的用電僅增加 6%。而這個增加量當中超過一半是台積電貢獻。
全台灣用電量，過去 5 年的增加量當中也有 33.6%，差不多三分之一的增加量由台積電貢獻。
而且，在可預見的未來，這家世界級半導體天王每年用電增加的幅度，只怕還會加速擴大。因為半導體製程技術，又到了改朝換代時刻。
台積電預計 2019 年量產的 7 奈米製程的第二版本──7 Plus，部分製程將首度導入極紫外光（EUV）微影製程，這是半導體產業期待已久的「救世主」技術。
目前半導體製程的主流光源是氬氟雷射，波長為 193 奈米，當電晶體尺度已微縮到幾十奈米時，就像用一支粗毛筆寫蠅頭小字一般，生產起來有點力不從心。這也是近幾年，摩爾定律即將告終的聲浪不斷的主因。
極紫外光的波長僅有 13.5 奈米，業界期望這支「超細字小楷」能夠讓摩爾定律再延伸至少 10 年。
灑百億購入夢幻設備 足以買下兩架 A380
今年 1 月，台積電 5 奈米案環差評估案通過的同一星期。獨家生產 EUV 微影機台的荷蘭商艾司摩爾（ASML）在法說會宣布，已接到 EUV 微影機台 6 部訂單。根據《霸榮週刊》（Barron’s）報導，分析師推測，台積電訂走了其中 5 台，亦即一口氣買下 5.5 億美元（約 167.8 億台幣）的設備。
這個價錢，幾乎可以買下兩台世界最大民航機──空巴 A380。
除了昂貴之外，但對台灣而言，EUV 這個「救世主」技術還有一個大缺點──耗電。
有多耗電？「嚇死人！」台積電 300mm Fabs 廠務處資深處長莊子壽心有餘悸地說。他今年 3 月在一場記者會接受《天下》訪問時表示，他希望未來台積電 EUV 用得「愈少愈好」，「因為太貴了，用的電也太大了。」
艾司摩爾至今尚未公布 EUV 機台的耗電功率，但世界第二大記憶體製造商、南韓的 SK 海力士曾在 2009 年的 EUV Symposium 表示，EUV 的能源轉換效率（wall plug efficiency）只有 0.02% 左右。
這個數字現在廣為業界引用。也就是說，當前最先進的 EUV 機台能輸出 250 瓦功率的 EUV，需要輸入 0.125 萬瓩的電力，這個耗電量是傳統氬氟雷射的 10 倍以上。
「要把光壓到這麼短的波長，需要很強很強的能量，」莊子壽解釋。
連冷卻系統用電也不容小覷
事實上，過去幾年，EUV 機台的輸出功率過小，遲遲無法達到量產要求，是這個夢幻技術一再延誤上市時機的主要理由。
台積電法說時，負責先進製程的共同執行長劉德音也常被分析師問到，他期待的 EUV 機台功率、量產速度各為多少？
在 5 年前，艾司摩爾試驗機台的輸出功率還僅有 25 瓦。但就在上個月，該公司達到歷史里程碑。在舊金山的 2017 年 Semicon West 半導體設備展，艾司摩爾宣布，該公司已成功地將 EUV 光源功率提升到 250 瓦，晶圓生產速度因此達到每小時 125 片──這都是台積電、英特爾等大客戶之前提出的量產最低要求。現有的微影系統量產速度為每小時 200 片以上。
為什麼提升功率這麼難？
曾與台積電合作 EUV 光源研究的台大電機系教授黃昇龍解釋，主要是卡在散熱問題。他在台大的 EUV 實驗機組，輸出功率僅有毫（千分之一）瓦等級，水冷系統整個架起來就有一個房間這麼大。晶圓廠的 EUV 量產系統輸出功率是台大的上萬倍，要怎樣將熱導出去，是很複雜的技術難題。而且，「冷卻系統也得耗上不少電，」黃昇龍說。
整個 EUV 技術商用化的過程之艱辛、投入研發金額之鉅，堪稱半導體業的「登月計畫」。曾有業者估計，整個業界投入的研發經費超過 200 億美元（約台幣 6,100 億元）。
EUV 稱為「極紫外光」，但物理特性與一般常見的紫外光差異極大。
首先，這種光非常容易被吸收，連空氣都不透光，所以整個生產環境必須抽成真空；同時，也無法以玻璃透鏡折射，必須以矽與鉬製成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進方向，而且每一次反射仍會損失 3 成能量，但一台 EUV 機台得經過十幾面反射鏡，將光從光源一路導到晶圓，最後大概只能剩下不到 2% 的光線。
這也是 EUV 機台如此耗電的主因之一。
為了確保供電，台積電曾考慮自蓋電廠
然而，半導體除了最核心的微影，還有蝕刻、蒸鍍、平面化等多道製程。導入高耗電的 EUV 光源，這道製程對於整廠的用電影響有多大？
這次南科新廠的環差評估過程，台積電主管出示的一張投影片，給了清楚的答案。
若以廠房單位土地規劃用電來算，5 奈米製程用電是當今台積電的主流 28 奈米製程的 1.48 倍。也就是說，如果同樣都是 40 公頃的廠區，2020 年量產的 5 奈米製程，總用電會是目前的一倍半。
「而且，5 奈米應該只有一半製程用到 EUV，」一位外資分析師說。他表示，由於 EUV 技術極為昂貴，台積電仍只有在部分較難的製程才採用新技術。但到了在下一個世代，已經逼近摩爾定律極限的 3 奈米製程，EUV 採用比例就會大幅增加，用電量會進一步暴增。
去年 6 月，行政院長林全首度透露，台積電有意自蓋電廠。這位分析師表示，當時台積電就是擔心大量導入 EUV 光源的 5 奈米製程，南科電力系統無法負荷，直到台電出具供電保證，才打消念頭。
一位台積電前主管表示，台積電的企業文化是高度專注本業，像自蓋電廠這類事，「過去根本連想都不會想，會去考慮這件事，就表示缺電非常嚴重。」
但接下來更耗電的的 3 奈米製程，便傳出台積電有意設廠美國，除了土地與環評，電力穩定度也是考量因素之一。
在第二季法說會上，台積電共同執行長劉德音表示，3 奈米的選址決定明年上半年將會正式決定，目前仍是以台灣為優先。
（本文由 天下雜誌 授權轉載；首圖來源：科技新報） |
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