Czy półprzewodniki są szkodliwe dla środowiska?

W branży technologicznej panuje spokojne napięcie, które rzadko dociera do etapu wprowadzenia produktu na rynek. Urządzenia, które kupujemy do nawigacji, komunikacji i rozrywki, zależą od chipów, których produkcja jest na kilka wymiernych sposobów szkodliwa dla planety. Produkcja chipów pochłania nadzwyczajne ilości wody i energii elektrycznej, uwalnia silne gazy cieplarniane i generuje odpady chemiczne, które wymagają ostrożnego obchodzenia się. Jednocześnie produkty zasilane przez te chipy pomagają zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych w transporcie, energetyce i rolnictwie. Dlatego podjęcie decyzji, czy półprzewodniki są szkodliwe dla środowiska, nie jest prostą kwestią. Jest to kwestia kompromisów,-terminów i tego, kto ponosi koszty.

 

 

półprzewodniki

 

Zaczynając od podstaw: o czym mówimy

Aby zrozumieć ryzyko związane ze środowiskiem, warto przypomnieć sobie, do czego właściwie odnosi się to słowo. Znaczenie półprzewodnika wywodzi się z fizyki: półprzewodnik to materiał, którego zdolność przewodzenia prądu elektrycznego mieści się pomiędzy zdolnością przewodnika i izolatora. Krzem, najpopularniejszy przykład, może być zaprojektowany tak, aby przenosił lub blokował prąd elektryczny w zależności od warunków, co czyni go idealnym elementem konstrukcyjnym tranzystorów. Miliardy tranzystorów upakowanych w jednym chipie tworzą obwody logiczne wewnątrz każdego smartfona, serwera, samochodu i urządzenia. Proces produkcyjny, w wyniku którego powstają te chipy w skali nanometrowej, należy do operacji przemysłowych{{4}, które pochłaniają najwięcej zasobów na świecie.

 

 

Woda: najbardziej niewidoczny koszt

Hotspoty środowiskowe:

• Zużycie ultra-czystej wody
• Emisje gazów perfluorowęglowych
• Energia elektryczna z paliw kopalnych
• Strumienie odpadów chemicznych
• Ślad węglowy sprzętu

Do produkcji wiórów potrzebna jest woda o niezwykłej czystości, znacznie czystsza niż woda pitna, używana do płukania wafli pomiędzy setkami stopni tworzących warstwy obwodów. Pojedynczy duży zakład produkcyjny może codziennie zużywać miliony galonów tej ultra{1}}czystej wody. Wiele zaawansowanych fabryk zlokalizowanych jest w regionach, które okresowo borykają się z poważną suszą, co rodzi ostre pytania o to, czy lokalizowanie produkcji chipów na obszarach-narażonych na niedobory wody jest zrównoważone w miarę dalszego zwiększania się produkcji.

Większość ludzi nie bierze pod uwagę tego, ile precyzyjnego sprzętu potrzeba do zarządzania wodą po wejściu do fabryki. Obwody ultra-czystej wody opierają się na zaworach i łącznikach rur ze stali nierdzewnej, które spełniają rygorystyczne wymagania dotyczące czystości i odporności na korozję-, ponieważ nawet śladowe zanieczyszczenia z materiałów gorszej jakości mogą zniszczyć partię płytek. Producenci tacy jak LEADTEK dostarczają tego rodzajuZawory kulowe ze stali nierdzewnej SS316Iarmatury rurowena których polegają zakłady produkujące półprzewodniki, aby zapewnić pozbawioną-wycieków i zanieczyszczeń-kontrolę przepływu płynów w swoich systemach wody ultraczystej. Jest to szczegół, który rzadko pojawia się w nagłówkach gazet na temat wpływu produkcji chipów na środowisko, a jednak niezawodność każdego zaworu w pętli ma bezpośredni wpływ na ilość wody marnowanej lub odzyskiwanej przez fabrykę.

Problemy z wodą pogłębiają się, gdy nowe obiekty powstają w-regionach suchych lub półsuchych, gdzie dostępność słodkiej wody jest już pod presją ze strony rolnictwa, wzrostu populacji i ocieplającego się klimatu. Producenci chipów poczynili rzeczywiste postępy w zakresie recyklingu wody, a niektóre zakłady odzyskują i ponownie wykorzystują ponad osiemdziesiąt procent zużywanej wody. Postęp to jednak nie to samo, co rozdzielczość. Nawet woda poddana recyklingowi wymaga energii do oczyszczenia, a bezwzględna wielkość zapotrzebowania stale rośnie wraz ze wzrostem produkcji chipów.

 

Zawór kulowy kołnierzowy LEADTEK ze stali nierdzewnej

 

Gazy cieplarniane, o których prawdopodobnie nigdy nie słyszałeś

Dwutlenek węgla to gaz cieplarniany, który dominuje w dyskusjach publicznych, ale najbardziej niepokojący wpływ atmosfery w branży chipów pochodzi z zupełnie innej rodziny cząsteczek. Perfluorowęglowodory i pokrewne związki, takie jak trifluorek azotu, są stosowane podczas procesów trawienia plazmowego i czyszczenia komór w fabrykach. Gazy te są niezwykle silnymi substancjami cieplejszymi. Na przykład trifluorek azotu w ciągu stulecia-zatrzymuje ciepło tysiące razy skuteczniej niż dwutlenek węgla i utrzymuje się w atmosferze przez setki lat.

Przez wiele lat gazy te nie były nawet uwzględniane w międzynarodowych ramach śledzenia emisji, częściowo dlatego, że były produkowane w tak małych bezwzględnych ilościach, a częściowo dlatego, że nie miały naturalnych źródeł, przez co łatwo je przeoczyć. Świadomość znacznie się poprawiła. Wiodący producenci chipów zgłaszają obecnie emisję fluorowanych gazów cieplarnianych i zainwestowali w systemy ograniczania emisji, które niszczą gazy, zanim dotrą do atmosfery. Sytuacja jest lepsza niż dziesięć lat temu i pozostaje uzasadnionym powodem do niepokoju, ponieważ wielkość produkcji płytek stale rośnie.

Urządzenia, na których polegamy, aby nawigować w bardziej ekologicznej przyszłości, są budowane przez fabryki, które mają do uregulowania własne długi środowiskowe.

 

Równanie energii

Fabs działają przez całą dobę i nigdy się nie kończą. Maszyny, które osadzają, trawią i sprawdzają warstwy materiału na płytkach krzemowych, są energochłonne w sposób trudny do pełnego docenienia z zewnątrz. Pojedyncza duża fabryka może pobrać tyle samo energii elektrycznej, co małe miasto, a łączne zużycie w globalnym przemyśle chipów dorównuje zużyciu wielu krajów-średniej wielkości. To, skąd pochodzi ta energia, ma ogromne znaczenie. Fabryka zasilana energią wodną lub słoneczną ma zasadniczo inny profil emisji dwutlenku węgla niż fabryka czerpiąca z ciężkiej sieci węglowej-.

Wiele regionów, w których koncentruje się zaawansowana produkcja chipów, w dalszym ciągu w dużej mierze opiera się na paliwach kopalnych w celu zaopatrzenia w energię elektryczną, w tym na skroplonym gazie ziemnym, a w niektórych przypadkach na węglu. Wraz ze wzrostem mocy produkcyjnych rośnie presja na lokalną infrastrukturę energetyczną, a zwolennicy ochrony środowiska w kilku lokalizacjach wyrazili obawy dotyczące budowy nowych urządzeń do wytwarzania paliw kopalnych specjalnie w celu zaspokojenia zapotrzebowania branży chipów. Branża zasadniczo zobowiązała się do zwiększenia liczby zamówień na energię odnawialną, chociaż tempo i wiarygodność tych zobowiązań znacznie się różni w zależności od operatora.

 

Druga strona księgi głównej

Zrównoważony rachunek musi uwzględniać historię równoważącą. Półprzewodniki stanowią integralną część wielu technologii oferujących najbardziej wiarygodne ścieżki obniżenia globalnych emisji. Pojazdy elektryczne wykorzystują chipy elektroniki mocy do zarządzania wydajnością akumulatora i wydajnością ładowania. Systemy inteligentnych sieci wykorzystują chipy do równoważenia podaży i popytu na energię elektryczną w czasie rzeczywistym, redukując w ten sposób ilość odpadów. Podstawowe funkcje oświetlenia LED, pomp ciepła, sterowników turbin wiatrowych i inwerterów fotowoltaicznych zależą od chipów. Oszczędności energii możliwe dzięki tym aplikacjom, skumulowane w milionach instalacji i dziesięcioleciach ich eksploatacji, są znaczne.

Naukowcy, którzy badali pełny cykl życia technologii wykorzystujących chipy,-na ogół stwierdzają, że emisje, których unikają produkty takie jak pojazdy elektryczne czy inteligentne termostaty, przewyższają emisję generowaną podczas produkcji chipów, często ze znacznym marginesem. Nie oznacza to, że wpływ produkcji jest akceptowalny lub ignorowany. Oznacza to, że związek między produkcją chipów a środowiskiem jest bardziej skomplikowany, niż może uchwycić prosty zły-lub-dobry werdykt.

 

Jak wygląda odpowiedzialność

Najsilniejsi operatorzy w łańcuchu dostaw chipów zaczęli traktować zrównoważony rozwój jako problem techniczny, a nie element public relations. Systemy recyklingu wody stały się standardowymi wymaganiami inżynieryjnymi w nowych projektach fabryk. Urządzenia do redukcji gazów fluorowanych są obecnie szeroko stosowane w wiodących zakładach. Zakupy energii odnawialnej nabierają tempa, napędzane częściowo przez wewnętrzne zobowiązania przedsiębiorstw, a częściowo przez presję ze strony głównych klientów w sektorze technologii, którzy realizują własne cele-zero netto.

Regulacje również się zaostrzają. Dyrektywa Unii Europejskiej w sprawie sprawozdawczości dotyczącej zrównoważonego rozwoju przedsiębiorstw wymaga od dużych firm ujawniania danych środowiskowych z coraz większą szczegółowością. Kalifornijskie przepisy dotyczące ujawniania informacji klimatycznych, które wchodzą w życie etapami począwszy od 2024 r., mają wpływ na producentów chipów prowadzących znaczącą działalność lub klientów w tym stanie. Ramy te tworzą zachęty do pomiaru i redukcji, które wykraczają poza dobrowolne zobowiązania.

Szczera odpowiedź na pytanie postawione na początku tego artykułu jest taka, że ​​produkcja chipów wiąże się z rzeczywistymi kosztami środowiskowymi, kosztami, nad którymi branża stara się zmniejszyć, ale których jeszcze nie udało się rozwiązać. Jednocześnie wyprodukowane chipy umożliwiają zastosowanie technologii, które ostatecznie mogą w większym stopniu ograniczyć emisję niż emitują fabryki. Celem nie powinno być świętowanie tego kompromisu,-ale jego zamknięcie i uczynienie produkcji czystszą, a zastosowania, które umożliwia, w dalszym ciągu dekarbonizują szerszą gospodarkę.