碳中和的现实危机，半导体先行者优势与困境并存

在全球波澜壮阔的碳中和浪潮之下，各行各业将迎来新的挑战，并亟需推出创新的应对之道，半导体产业同样身处其中。

- 与一些传统上污染更严重的行业相比，先进的芯片制造商的碳排量更大。因此，要实现碳中和目标，半导体产业将有很长一段路要走。

- 半导体产业已经涌现出一批碳中和“先行者”，但要改变整个产业链的芯片制造过程绝非易事，需要整个产业上下一致共同努力。

在经济飞速发展的同时，人类也面临着气候变化的重大挑战。“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。”2015年12月，《巴黎协定》设定了此长期目标。

为实现这一温控目标，节能减碳已是时势所趋。目前已有超过130个国家和地区提出了“零碳”或“碳中和”的气候目标，已有191个国家签署巴黎协定（Paris Agreement），超过40个国家采用碳价机制（carbon pricing mechanism）。

所谓碳中和，也就是净零排放，是指人类活动排放的温室气体（主要是二氧化碳）与大自然吸收的温室气体相平衡，目的是维持大气层中温室气体的浓度相对平衡，温升不再发生变化。近年来，包括美国、日本、韩国、中国等国家和地区先继公布实现碳中和的时间，主要集中在2050年前后。

集微咨询（JW insights）认为，在全球波澜壮阔的碳中和浪潮之下，各行各业将迎来新的挑战，并亟需推出创新的应对之道。未来，半导体产业不仅要拼产能和技术，还要拼零碳，严峻挑战之下，制程创新与可持续发展兼顾的愿景再无法置身事外。

半导体产业碳排放惊人

芯片制造是一个巨大的资源密集型行业，也是碳排放的一个主要来源。2020年10月，哈佛大学曾发表论文称，诸如台积电、英特尔、苹果等芯片巨头公司，其对环境的影响无处不在。到2030年，信息及计算机类技术将占据全球能源需求的20%，而且硬件产生的碳足迹会比系统运行更甚，而硬件之中，芯片制造的过程占据了很大一部分的碳排放量。

以苹果设备的碳排放明细为例，总结来看，硬件生命周期（即制造、运输、使用和回收）占苹果设备总排放量的98%以上。其中，制造占总排放量的74%，硬件使用占19%。制造集成电路（即 SoC、DRAM和NAND闪存）的碳排放要远高于硬件使用的碳排放。

图源：来自论文Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing

集微咨询（JW insights）认为，半导体工业是一个高能耗产业，具有设备的昂贵性、敏感性和制造过程的复杂性。硅片需要三到四个月的时间才能完成将它们加工成成品所需的多个阶段，在多个阶段都将产生有害气体和废弃物。

据了解，一颗芯片的面世，要经历近3000多道工序，在几十个足球场大小的工厂里维持超净、恒温、高温高压、真空、强电磁场的复杂环境；同时，为防止温度过高，还需设置庞大的水冷系统。工厂全年365天、全天24小时运转，无疑将带来惊人的能耗。

因此，与一些传统上污染更严重的行业相比，先进的芯片制造商的碳排量更大。据彭博社撰文指出，根据2019 年企业披露的信息显示，英特尔工厂使用的水是福特汽车公司工厂的三倍多，产生的危险废物是福特汽车工厂的两倍多，芯片制造商取代汽车制造商成为主要污染者。

图源：bloomberg

值得注意的是，随着先进工艺的复杂性和产能的增加，晶圆制造的原材料消耗增加，随之而来的还有更多废物的产生。以全球最大的晶圆代工厂台积电为例，其在扩大产能、进军3nm芯片的同时，近10年的用水量几乎翻了5倍，年用电量占台湾地区总用电量的4.8%，超过整个台北市的用电量。因此，随着芯片变得越来越复杂，能源消耗和水消耗的增加变成了总趋势，集微咨询（JW insights）认为，回收再利用及环保材料创新的循环商机，伴随着产业的发展几乎是同时进入高度爆发期。全球产业链需同舟而济，在抵达最终目标——碳中和之前，将毫无退路可言。

图：按技术关键节点划分的每片晶圆的浪费量，来自台积电在ESG论坛演讲

数据显示，如果台积电没有采取任何减少浪费的行动，未来，台积电每12英寸晶圆层的浪费将达到3.09公斤。

图：每12英寸晶圆层的浪费趋势，来自台积电在ESG论坛演讲

那么半导体制造业CO2排放量究竟有多少？以芯片制造重镇台湾地区为例，据集微咨询整理中国台湾地区“环保署”的数据，分析近五年（2015-2019年）制造业温室气体排放量变化，其中半导体业年均成长率高达6.44%。

集微咨询（JW insights）认为，半导体产业涉及面广且备受关注，在碳中和的大目标下，作为耗能大户，半导体产业链从各个环节做到节能减碳，将成为致胜未来的关键策略。

半导体产业链上涌现碳中和“先行者”

不同于早期较高的利润，在能源成本日益高涨的当下和碳中和政策持续加码的未来，半导体企业无法忽视因能源成本增加而带来的高额支出，在节约成本、绿色环保、可持续发展等方面，向制造环节提出了更为严格的要求。

此外，全球机构投资人已将企业推动环境、社会及公司治理（ESG）成果列入投资衡量指标。压力之下，半导体企业一直在加快行动，解决其气候足迹问题，并承诺使用更多的可再生能源以减少碳足迹。

目前，全球三大晶圆代工龙头均对碳排放做出了承诺。台积电设定了废物管理策略与目标——到2030年每片12英寸等效晶圆掩模层外包单位废弃物处理量≤0.5公斤，即40万吨/年。台积电称还将继续开发更先进有效的技术，来减少生产过程以及产品使用期间的资源消耗和污染。此外，台积电将供应链碳足迹及减碳绩效列入公司采购重要指标，要求设备供应商在2030年前必须节能20%，并将其列为采购评选标准，若没有达标，可能失掉台积电不少生意。

台积电在芯片制造领域强劲竞争对手之一的三星也宣布，其在美国、欧洲和中国的生产均使用100%的可再生能源，并在韩国平泽和华城的园区采用太阳能和地热发电。

英特尔则承诺到2030年100%的能源来自可再生资源。英特尔表示作为美国的三大可再生能源使用者之一，英特尔自愿减少碳排放已经超过20年。近年来，英特尔回收处理了大约80%的水，还计划实现100%回收。

全球知名的功率半导体企业英飞凌更在2020年率先承诺实现碳中和，并制定“有约束力的减排目标”：到2025年将二氧化碳排放量较2019年降低70%，到2030年实现碳中和。

全球封测大厂日月光则在半导体产业在节能减碳部分，主要致力于绿能电力的供应，以及加速再生能源应用。据了解，2020年日月光在全球已有11个厂区使用100%再生电力或凭证，再生电力总使用量较前一年增加38%，占总电力使用量达18%；日月光也执行300件节能减碳项目，整体减碳效益58万5744吨。日月光规划在2030年非生产单位与2050年生产制造单位分阶段性履行，承诺2050年达到净零排放。

从中我们可以看到，不少半导体企业已经率先成为碳中和“先行者”，致力于减少温室气体和废弃物排放的行动当中。

需要指出的是，尽管如此，对于大型企业来说，要改变整个产业链的芯片制造过程绝非易事。几乎垄断了全球高端光刻机领域的荷兰公司阿斯麦（ASML）表示，通过使用可再生能源、回收零部件以及升级技术来提高效率，解决排放问题。但ASML同样也预计，2025年之前，其总体碳排放量仍将增长，因为其大部分碳排放来源于客户对产品的使用。ASML在2020年年度报告中称，要实现其最新机器的节能目标，就得克服“特别难以解决的战略技术挑战”。

集微咨询（JW insights）认为，气候变化已成为当今人类社会面临的重大全球性考验，实现碳达峰、碳中和刻不容缓，这其中，半导体产业是尤为关键的一环。碳中和工程作为庞大且复杂的系统性工程，需要包括高科技企业在内的所有参与者加入，半导体产业链上的企业是能源消耗大户，更加有责任积极参与到碳中和这一可持续发展的大目标中。而先行者的优势将引领风向并创造规模经济，获得最有利的战斗位置，甚至决定游戏规则，中国作为一个发展中的经济大国，以身作则做出积极承诺，也将更有利于实现成为超级大国的抱负。