台积电 2019 年耗电 143.3 亿度，芯片制造为何如此费电？能否科普一下？
台积电在2019年耗电量高达143.3亿度，这确实是一个惊人的数字，也引发了大家对芯片制造为何如此耗电的疑问。要理解这一点，我们需要深入了解芯片制造的复杂性和其中涉及的各种耗能环节。
芯片制造为何如此耗电？核心原因概览：
简单来说，芯片制造是一个极端精密、需要严格控制环境，并且涉及大量能量转换的物理和化学过程的集合。以下是导致其耗电量巨大的几个主要原因：
1. 极端洁净的制造环境： 芯片制造对环境的洁净度要求达到前所未有的级别，一丝尘埃都可能毁掉一颗芯片。为了维持这种超净环境，需要持续不断地运转：
空气过滤与循环系统（HVAC）： 这是耗电大户。为了将工厂内的空气过滤到百万分之一甚至十亿分之一的尘埃，需要强大的风扇、高效的过滤器（如HEPA/ULPA）以及精准的温湿度控制系统。这些系统需要24小时不间断地运行，并且维持极高的空气交换率。
负压控制： 为了防止外部的污染物进入洁净室，洁净室内部需要维持比外部稍低的压力（负压）。这同样需要风扇系统来维持。
温湿度控制： 不同的工艺步骤对温度和湿度的要求非常苛刻，需要精确的温控和除湿/加湿设备，这些设备消耗大量能量。
2. 复杂的物理和化学加工过程： 芯片的制造过程可以看作是不断地在硅片上“雕刻”出微小的电路。这涉及大量的能量密集型步骤：
光刻（Lithography）： 这是芯片制造中最关键也是最耗能的步骤之一。为了在硅片上精确地复制出电路图案，需要使用极紫外光（EUV）或深紫外光（DUV）光源。特别是EUV光刻，光源的产生本身就需要消耗巨大的能量（例如，通过高能激光轰击锡滴产生等离子体发光）。同时，光刻机本身也是极其复杂的精密设备，包含各种光源、光学系统、机械臂等，都需要电力驱动。
刻蚀（Etching）： 通过化学反应或物理轰击的方式，去除不需要的材料，形成电路的沟槽和结构。干法刻蚀（如等离子刻蚀）需要产生高能量的等离子体，这涉及到射频电源等耗能设备。湿法刻蚀则需要加热溶液，消耗热能（间接转化为电能）。
薄膜沉积（Deposition）： 在硅片表面生长或沉积各种导电、绝缘材料薄膜。常用的方法如物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）都需要高温、高真空环境，或者使用等离子体来促进反应，这些都需要大量的能量。
离子注入（Ion Implantation）： 将特定的杂质原子“注入”到硅片特定的区域，以改变其导电性。这个过程需要加速带电离子，消耗大量电能。
化学机械抛光（CMP）： 用于去除多余的材料，使表面平整，以进行下一道工序。这需要高速旋转的抛光盘和研磨液，也需要一定的动力。
3. 高能耗的辅助设备和工艺： 除了核心的加工步骤，还有很多耗能的辅助设备和工艺：
真空系统： 许多工艺需要在高真空环境下进行，以避免杂质干扰或控制反应。真空泵的运行需要消耗大量电能。
纯水系统： 芯片制造需要极其纯净的超纯水，以清洗硅片上的任何残留物。生产超纯水（UPW）的过程涉及多级过滤、反渗透、离子交换等，这是一个能源密集型的过程。
高纯气体供应： 各种工艺都需要高纯度的化学气体，这些气体的生产、提纯和输送都需要能量。
自动化设备和机器人： 厂房内大量的自动化设备、传送带、机械臂等用于搬运硅片和材料，它们也需要持续的电力供应。
照明和厂房设施： 洁净室内的高强度照明、电力供应系统、以及其他基础设施的运行也构成了一部分能耗。
研发和测试设备： 除了生产线，研发和测试环节也需要各种高精度、高能耗的设备来验证工艺和产品。
4. 制程越先进，耗电量越大： 随着芯片制造工艺的不断进步，晶体管尺寸越来越小，电路设计越来越复杂。
EUV光刻的引入： 最新的先进工艺（如7nm、5nm、3nm）普遍采用EUV光刻技术。EUV光源的产生是目前所有光刻技术中最耗能的。
更精密的控制： 更小的尺寸意味着更小的公差，需要更精确的温度、压力、化学品浓度控制，这会进一步增加HVAC和相关系统的能耗。
更多的工艺步骤： 更复杂的芯片设计往往需要更多的制造层数和更繁琐的工艺步骤，直接增加了整体的加工时间和能耗。
台积电的规模效应：
台积电作为全球最大的晶圆代工厂，拥有众多先进的晶圆厂，并且不断建设新的产能。庞大的厂房面积、数量众多的高精尖设备、以及每年数以亿计的晶圆产出，使得其整体能耗非常巨大。即使单台设备的单位能耗相对较低，但日积月累的庞大数量和持续不间断的运行，最终累积成天文数字的耗电量。
为了减少能耗，台积电和其他半导体制造商也在努力：
尽管如此，半导体制造商也意识到了高能耗的问题，并积极采取措施来提高能源效率：
优化HVAC系统： 采用更先进的空气过滤技术，优化送风策略，回收余热等。
提高设备效率： 采用更节能的设备，优化工艺参数以减少不必要的能耗。
使用可再生能源： 与能源供应商合作，采购绿色电力（如太阳能、风能）。台积电也承诺在供应链中推广使用可再生能源。
水资源管理： 节约用水，提高水的循环利用率。
工艺创新： 寻找更节能的材料和工艺方法。
总结来说，台积电高昂的耗电量是其极端精密、高科技、高要求的制造过程以及庞大生产规模的必然结果。从维持超净环境，到精确的光刻、刻蚀、沉积等一系列物理化学反应，再到高能耗的辅助设备，每一个环节都消耗着大量的能源。随着技术的进步，尤其是EUV技术的普及，未来先进芯片制造的能耗挑战依然存在，但通过技术创新和环保措施，行业正在努力寻求更可持续的解决方案。
芯片制造为何如此耗电？核心原因概览：
简单来说，芯片制造是一个极端精密、需要严格控制环境，并且涉及大量能量转换的物理和化学过程的集合。以下是导致其耗电量巨大的几个主要原因：
1. 极端洁净的制造环境： 芯片制造对环境的洁净度要求达到前所未有的级别，一丝尘埃都可能毁掉一颗芯片。为了维持这种超净环境，需要持续不断地运转：
空气过滤与循环系统（HVAC）： 这是耗电大户。为了将工厂内的空气过滤到百万分之一甚至十亿分之一的尘埃，需要强大的风扇、高效的过滤器（如HEPA/ULPA）以及精准的温湿度控制系统。这些系统需要24小时不间断地运行，并且维持极高的空气交换率。
负压控制： 为了防止外部的污染物进入洁净室，洁净室内部需要维持比外部稍低的压力（负压）。这同样需要风扇系统来维持。
温湿度控制： 不同的工艺步骤对温度和湿度的要求非常苛刻，需要精确的温控和除湿/加湿设备，这些设备消耗大量能量。
2. 复杂的物理和化学加工过程： 芯片的制造过程可以看作是不断地在硅片上“雕刻”出微小的电路。这涉及大量的能量密集型步骤：
光刻（Lithography）： 这是芯片制造中最关键也是最耗能的步骤之一。为了在硅片上精确地复制出电路图案，需要使用极紫外光（EUV）或深紫外光（DUV）光源。特别是EUV光刻，光源的产生本身就需要消耗巨大的能量（例如，通过高能激光轰击锡滴产生等离子体发光）。同时，光刻机本身也是极其复杂的精密设备，包含各种光源、光学系统、机械臂等，都需要电力驱动。
刻蚀（Etching）： 通过化学反应或物理轰击的方式，去除不需要的材料，形成电路的沟槽和结构。干法刻蚀（如等离子刻蚀）需要产生高能量的等离子体，这涉及到射频电源等耗能设备。湿法刻蚀则需要加热溶液，消耗热能（间接转化为电能）。
薄膜沉积（Deposition）： 在硅片表面生长或沉积各种导电、绝缘材料薄膜。常用的方法如物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）都需要高温、高真空环境，或者使用等离子体来促进反应，这些都需要大量的能量。
离子注入（Ion Implantation）： 将特定的杂质原子“注入”到硅片特定的区域，以改变其导电性。这个过程需要加速带电离子，消耗大量电能。
化学机械抛光（CMP）： 用于去除多余的材料，使表面平整，以进行下一道工序。这需要高速旋转的抛光盘和研磨液，也需要一定的动力。
3. 高能耗的辅助设备和工艺： 除了核心的加工步骤，还有很多耗能的辅助设备和工艺：
真空系统： 许多工艺需要在高真空环境下进行，以避免杂质干扰或控制反应。真空泵的运行需要消耗大量电能。
纯水系统： 芯片制造需要极其纯净的超纯水，以清洗硅片上的任何残留物。生产超纯水（UPW）的过程涉及多级过滤、反渗透、离子交换等，这是一个能源密集型的过程。
高纯气体供应： 各种工艺都需要高纯度的化学气体，这些气体的生产、提纯和输送都需要能量。
自动化设备和机器人： 厂房内大量的自动化设备、传送带、机械臂等用于搬运硅片和材料，它们也需要持续的电力供应。
照明和厂房设施： 洁净室内的高强度照明、电力供应系统、以及其他基础设施的运行也构成了一部分能耗。
研发和测试设备： 除了生产线，研发和测试环节也需要各种高精度、高能耗的设备来验证工艺和产品。
4. 制程越先进，耗电量越大： 随着芯片制造工艺的不断进步，晶体管尺寸越来越小，电路设计越来越复杂。
EUV光刻的引入： 最新的先进工艺（如7nm、5nm、3nm）普遍采用EUV光刻技术。EUV光源的产生是目前所有光刻技术中最耗能的。
更精密的控制： 更小的尺寸意味着更小的公差，需要更精确的温度、压力、化学品浓度控制，这会进一步增加HVAC和相关系统的能耗。
更多的工艺步骤： 更复杂的芯片设计往往需要更多的制造层数和更繁琐的工艺步骤，直接增加了整体的加工时间和能耗。
台积电的规模效应：
台积电作为全球最大的晶圆代工厂，拥有众多先进的晶圆厂，并且不断建设新的产能。庞大的厂房面积、数量众多的高精尖设备、以及每年数以亿计的晶圆产出，使得其整体能耗非常巨大。即使单台设备的单位能耗相对较低，但日积月累的庞大数量和持续不间断的运行，最终累积成天文数字的耗电量。
为了减少能耗，台积电和其他半导体制造商也在努力：
尽管如此，半导体制造商也意识到了高能耗的问题，并积极采取措施来提高能源效率：
优化HVAC系统： 采用更先进的空气过滤技术，优化送风策略，回收余热等。
提高设备效率： 采用更节能的设备，优化工艺参数以减少不必要的能耗。
使用可再生能源： 与能源供应商合作，采购绿色电力（如太阳能、风能）。台积电也承诺在供应链中推广使用可再生能源。
水资源管理： 节约用水，提高水的循环利用率。
工艺创新： 寻找更节能的材料和工艺方法。
总结来说，台积电高昂的耗电量是其极端精密、高科技、高要求的制造过程以及庞大生产规模的必然结果。从维持超净环境，到精确的光刻、刻蚀、沉积等一系列物理化学反应，再到高能耗的辅助设备，每一个环节都消耗着大量的能源。随着技术的进步，尤其是EUV技术的普及，未来先进芯片制造的能耗挑战依然存在，但通过技术创新和环保措施，行业正在努力寻求更可持续的解决方案。
网友意见
扯一拨？
因为张仲谋硬！或者因为对岸GDP数字造假。
相信大家都听说过，对岸缺电。电力里面有一个备转容量率概念，就是超出最大使用负荷的量，以应对不时之需，如电力设施损坏。这个值，内地是20%左右，美国是15%（深度丨从备用容量视角看中国电力过剩- 北极星电力网手机版）。而对岸只有不到6%。所以，我们即使局部出现异常，也有充分的备用发电来立即保证恢复供电。而美国有时会出现大面积停电。对岸2018年也出现了严重的大面积停电。
所以，奇怪的一幕经常上演，到了夏天，对岸经常要求公务员不要开空调，节约用电，以免出现电力过载。
然而，对岸人均年用电量高达1万度。为内地的2倍，比日本还高。
估算下来，对岸每年用电2300亿度。
台积电使用了143亿度，占比约6%。而台积电每年的利润是400多亿美元，占对岸GDP（就按6000亿美元算）的6%。
想来这么牛叉的一个代工厂，每度电的产出和普通产业几乎差不多。
而台积电是2019年财富500强利润率最高的企业。产出竟然如此之低？
我再慎重地问一下，我的计算有误吗？好像没有。
这说明什么？
要么说明台积电的张忠谋够硬，能抢来电，明明效益一般，却拥有优先供电权。
要么说明：对岸GDP数字有假！实际数字远不到6000亿美元。（假如对岸GDP是4000亿，那么台积电的每度电产出就会达到10%，高出平均值4个点，这样有优先供电权还说得过去）
先定义tsmc, 台積电是全世界第一个纯粹专业代工晶圆制程。
那个跟耗电有什么关系？
给小白们说个外行话：台積电为了首创的晶圆代工服务勢必要集所有名厂的条件于一身，才能满足极为严苛的大厂审核，所以装备齐全并日夜开动，目前一共有约二十个fab, 当然相对耗电。
略有概念的朋友，对芯片品牌客户的几个大审 terms of survey and surveillance 必定有深刻感触，其中必定明白半导体厂房的无尘设施clean room facilities, 那是个"钱坑" ，笔者从这固定电力、各种气体、全境空调、正负流量、Vehicles 的花費，定义这些纯粹是全球金融行业的衍生，只要算ROE return on equities 不计花费，才能无限度维持全世界唯一水平的全规格洁净室空间。
科普应该是全面一点，但很遗憾有些属于商业机密，只有讲周边设施，以表诚意。
我来回答一下，芯片制造代工厂的电力主要耗费在下面几大方面:
第一，制冷和恒温控制，整个超净间的温度全年365天基本都控制在22°C左右
第二，光刻机设备，自从EUV光刻机开始导入生产线以后，一下子跃居成为整个生产线能耗最高的设备，一台EUV光刻机每小时就需要消耗1000度电，一年就需要接近1000万度电，问题整个台积电不是只有一台，而是几十台EUV光刻机，还有几百台其它型号的光刻机……
第三，热处理设备和离子设备，因为芯片生产的过程很多时候需要涉及到上千度的高温，这部分涉及到的功耗也极其惊人
……
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