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全中國臺灣用電過去 5 年的增加量，約三分之一由臺積電貢獻。 接下來，隨著導入「救世主」技術──EUV 微影技術，用電還會暴增。 臺積電評估，5 nm 制程用電會是目前主流制程的 1.48 倍。
很多人都忘了，臺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(tǒng)馬英九到參觀臺積電中科廠。 當時張忠謀便指出，目前中國臺灣最大的隱憂之一就是缺電，他并指出中國臺灣 2017 年可能面臨限電危機，「這對產業(yè)影響相當大」。
張忠謀并隨后在媒體提問時指出，停電對于臺積電的影響「幾乎不可估計」。 他說，臺積電每個廠都有備用電源，但備用電源的用電成本比起臺電提供的電貴 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(fā)言，都會提到「電」。 他到底在擔心什么？ 答案就藏在今年 1 月 18 日，環(huán)保署通過的臺南科學園區(qū)擴建案的環(huán)境差異影響評估里頭。
因為臺積電計劃于 2020 年量產的 5 奈米制程，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(qū)的規(guī)劃量，因此依法得做環(huán)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(guī)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(huán)保署的文件，臺積電的 5 奈米制程，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？ 根據臺電信息，東部用電量約在 40 到 50 萬瓩之間。 也就是說，臺積電一個新廠的用電量，將比整個東中國臺灣 56 萬人口的用電量還多上不少。
半導體的制造，本來就是高度耗電的過程。 盡管臺積電每年花費偌大人力、心力節(jié)省電力，但仍改變不了，采用各種先進科技及復雜化學品的晶圓廠、同時也是吃電大怪獸的事實。
根據臺積電企業(yè)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，與臺積電業(yè)績的成長高度符合。 臺積電董事長張忠謀在 2009 年重新接任執(zhí)行長之后，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，臺積電大舉擴產，股價與業(yè)績一再創(chuàng)下新高之際。 總體用電量也增加 102％，整整翻了一倍有余。
「救世主」技術上線，卻是嚇死人地耗電
臺積電也因此成為中國臺灣用電成長的主要「貢獻者」之一。
根據能源局統(tǒng)計數據，同時間全中國臺灣工業(yè)部門的用電僅增加 6%。 而這個增加量當中超過一半是臺積電貢獻。
全中國臺灣用電量，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臺積電貢獻。
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。 因為半導體制程技術，又到了改朝換代時刻。
臺積電預計 2019 年量產的 7 奈米制程的第二版本──7 Plus，部分制程將首度導入極紫外光（EUV）微影制程，這是半導體產業(yè)期待已久的「救世主」技術。
目前半導體制程的主流光源是氬氟雷射，波長為 193 奈米，當晶體管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(yè)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，臺積電 5 奈米案環(huán)差評估案通過的同一星期。 獨家生產 EUV 微影機臺的荷蘭商艾司摩爾（ASML）在法說會宣布，已接到 EUV 微影機臺 6 部訂單。 根據《霸榮周刊》（Barron’s）報導，分析師推測，臺積電訂走了其中 5 臺，亦即一口氣買下 5.5 億美元（約 167.8 億臺幣）的設備。
這個價錢，幾乎可以買下兩臺世界最大民航機──空巴 A380。
除了昂貴之外，但對中國臺灣而言，EUV 這個「救世主」技術還有一個大缺點──耗電。
有多耗電？ 「嚇死人！ 」臺積電 300mm Fabs 廠務處資深處長莊子壽心有余悸地說。 他今年 3 月在一場記者會接受《天下》訪問時表示，他希望未來臺積電 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 機臺的耗電功率，但世界第二大內存制造商、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(xiàn)在廣為業(yè)界引用。 也就是說，當前最先進的 EUV 機臺能輸出 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(tǒng)氬氟雷射的 10 倍以上。
「要把光壓到這么短的波長，需要很強很強的能量，」莊子壽解釋。
連冷卻系統(tǒng)用電也不容小覷
事實上，過去幾年，EUV 機臺的輸出功率過小，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。
臺積電法說時，負責先進制程的共同執(zhí)行長劉德音也常被分析師問到，他期待的 EUV 機臺功率、量產速度各為多少？
在 5 年前，艾司摩爾試驗機臺的輸出功率還僅有 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──這都是臺積電、英特爾等大客戶之前提出的量產最低要求。 現(xiàn)有的微影系統(tǒng)量產速度為每小時 200 片以上。
為什么提升功率這么難？
曾與臺積電合作 EUV 光源研究的臺大電機系教授黃升龍解釋，主要是卡在散熱問題。 他在臺大的 EUV 實驗機組，輸出功率僅有毫（千分之一）瓦等級，水冷系統(tǒng)整個架起來就有一個房間這么大。 晶圓廠的 EUV 量產系統(tǒng)輸出功率是臺大的上萬倍，要怎樣將熱導出去，是很復雜的技術難題。 而且，「冷卻系統(tǒng)也得耗上不少電，」黃升龍說。
整個 EUV 技術商用化的過程之艱辛、投入研發(fā)金額之巨，堪稱半導體業(yè)的「登月計劃」。 曾有業(yè)者估計，整個業(yè)界投入的研發(fā)經費超過 200 億美元（約臺幣 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(huán)境必須抽成真空；同時，也無法以玻璃透鏡折射，必須以硅與鉬制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，但一臺 EUV 機臺得經過十幾面反射鏡，將光從光源一路導到晶圓，最后大概只能剩下不到 2% 的光線。
這也是 EUV 機臺如此耗電的主因之一。
為了確保供電，臺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、平面化等多道制程。 導入高耗電的 EUV 光源，這道制程對于整廠的用電影響有多大？
這次南科新廠的環(huán)差評估過程，臺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(guī)劃用電來算，5 奈米制程用電是當今臺積電的主流 28 奈米制程的 1.48 倍。 也就是說，如果同樣都是 40 公頃的廠區(qū)，2020 年量產的 5 奈米制程，總用電會是目前的一倍半。
「而且，5 奈米應該只有一半制程用到 EUV，」一位外資分析師說。 他表示，由于 EUV 技術極為昂貴，臺積電仍只有在部分較難的制程才采用新技術。 但到了在下一個世代，已經逼近摩爾定律極限的 3 奈米制程，EUV 采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，臺積電有意自蓋電廠。 這位分析師表示，當時臺積電就是擔心大量導入 EUV 光源的 5 奈米制程，南科電力系統(tǒng)無法負荷，直到臺電出具供電保證，才打消念頭。
一位臺積電前主管表示，臺積電的企業(yè)文化是高度專注本業(yè)，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 奈米制程，便傳出臺積電有意設廠美國，除了土地與環(huán)評，電力穩(wěn)定度也是考慮因素之一。
在第二季法說會上，臺積電共同執(zhí)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，目前仍是以中國臺灣為優(yōu)先。
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