Den globala efterfrågan på kiselchips, inbäddad i allt från smartphones till TVS till vindkraftverk, blomstrar, men det kostar en enorm kostnad: koldioxidutsläpp.
Branschen presenterar en paradox. Att uppfylla de globala klimatmålen beror delvis på halvledare. De är en integrerad del av elbilar, solceller och vindkraftverk. Men chipstillverkning bidrar också till klimatkrisen. Det kräver mycket energi och vatten - flisfabriker eller fabrikar kan använda miljontals liter vatten om dagen - och producerar farligt avfall.
När halvledarindustrin befinner sig under ökande granskning börjar den hantera sin klimatpåverkan. Förra veckan lovade TSMC, världens' s största chipmaker, som levererar chips till Apple, att nå nollutsläpp år 2050. TSMC' s ordförande sa att företaget siktade på att&kvot ; utöka vår gröna närvaro och driva industrin mot hållbar utveckling med låga koldioxidutsläpp" ;.
Men att kolsyra branschen blir en stor utmaning.
TSMC använder ensam nästan 5 procent av Taiwans &: s totala el, som förväntas stiga till 7,2 procent 2022, och använder cirka 63 miljoner ton vatten under 2019, enligt Greenpeace. Företagets' vattenanvändning blev ett kontroversiellt ämne under Taiwan' s torka i år.
I USA genererade Intel &: s 700 hektar stora anläggning i Ocotillo, Ariz., Nästan 15 000 ton avfall under de tre första månaderna i år, varav cirka 60% var farligt. Det förbrukar också 927 miljoner liter färskt vatten, tillräckligt för att fylla cirka 1400 olympiska simbassänger och förbrukar 561 miljoner kilowattimmar energi.
Chiptillverkning, snarare än energiförbrukning eller hårdvaruanvändning," står för majoriteten av koldioxidutsläppen från elektroniska enheter," Skrev Harvard University-forskaren Udit Gupta och medförfattare i en artikel 2020.
En global brist på avancerade chips när pandemin ökar efterfrågan på elektronik och COVID-19-utbrottet stänger av fabs har ökat fokus på branschen.
På en trång marknad har biltillverkare befunnit sig längst bak i chipskön, långt bakom större halvledarkunder som Apple, som använder chips för att ge datorkraft för smartphones, bärbara datorer och andra enheter. Gm stoppade produktionen vid flera av sina nordamerikanska fabriker den här månaden, medan Toyota sa att den skulle minska sin fordonsproduktion med 40 procent i september.
För att öka produktionen lanserar många länder stora program för att lyfta industrin.
US Chip Act föreslår 52 miljarder dollar under fem år för den amerikanska halvledarindustrin. Europeiska unionen har lagt fram sin egen lagstiftning som syftar till att öka sin andel av den globala chipmarknaden till 20 procent år 2030. Europeiska kommissionens ordförande Ursula von der Leyen kallade det en" fråga om teknisk suveränitet" i hennes adress i unionen.
Dessa ambitioner är potentiellt i konflikt med internationella klimatmål. Europeiska unionen och USA strävar efter att uppnå netto noll koldioxidutsläpp år 2030 och netto nollutsläpp år 2050. När halvledarindustrin växer så kommer dess koldioxidutsläpp att öka.
Men under press från investerare och elektroniktillverkare som är ivriga att rapportera grönare leveranskedjor till kunderna har halvledarverksamheten intensifierat sina åtgärder för att hantera klimatpåverkan.
& quot; Nyligen har jag' börjat se vår påverkan på miljön helt komma i framkant," säger Sohini Dasgupta, designchef på On Semiconductor.
Fondförvaltare marknadsför alltmer" gröna fonder" när investerare ställer fler frågor om företag' miljöpåverkan, social och styrning (ESG), säger Mark Li, halvledaranalytiker på Bernstein, ett värdepappersföretag." Under de senaste tre åren har ESG -investeringar blivit mycket mer högljudda," säger han och tillägger att detta så småningom kommer att förändra hur företaget beter sig.
Den större tillgängligheten av förnybar energi hjälper chipmakare att minska koldioxidutsläppen. Intel har lovat att få 100 procent av sin energi från förnybara källor till 2030, liksom TSMC, men med en tidsfrist 2050.
Energiförbrukningen står för 62 procent av TSMC&#utsläpp, enligt TSMC taleskvinna Nina Kao. Företaget tecknade förra året ett avtal med dansk energi? Rsted har tecknat ett 20-årigt avtal från? Rsted köper all energi till den vindkraftpark på 920 megawatt som den bygger i Taiwansundet.
Affären, som beskrivs som världens' s största köpeavtal för förnybar energi, är bra för TSMC, säger Shashi Barla, förnybar energianalytiker på energikonsultföretaget Wood Mackenzie. Förutom att säkerställa ren el, betalar den grossistkostnader och blir av med prischocker," dödar två fåglar i ett slag", säger han.
Clifton Fonstad, professor i elektroteknik och datavetenskap vid Massachusetts Institute of Technology, sa att TSMC' s drag hade potential att påverka industrin och att" andra tillverkare kunde följa efter" ;.
Peter Hanbury, expert på halvledartillverkning på Bain& Företaget, managementkonsultföretaget, sa att chipstillverkare skulle kunna förbättra effektiviteten hos sina fabriker utöver att byta till förnybar energi. En chipanläggning är i grunden" ett stort lager med rena rum inuti" och" den enklaste delen för att minska utsläppen är själva anläggningen," han sa.
Fabs kan reglera luft- och vattentemperatur, luftfuktighet och tryck mer effektivt. De kan segmentera lagret så att en linje har högt tryck och den andra linjen har lågt tryck, använder mindre energi än att hålla hela lagret under högt tryck.
De kan fånga mer data och använda maskininlärning för att stänga av verktyg när de inte används, säger Huili Grace Xing, ingenjörsprofessor vid Cornell Who som arbetar med halvledarmaterial.
Det finns också innovationer som syftar till att ta itu med de smutsigaste materialen som används vid tillverkning av halvledare. Chipsindustrin använder olika gaser i sin tillverkningsprocess, varav många har en betydande klimatpåverkan.
TSMC sa att det hade installerat skrubber och andra anläggningar för att hantera utsläppen. Men ett annat tillvägagångssätt är att ersätta" smutsigare" renare gaser som används för att rengöra precisionsverktyg som används vid halvledartillverkning, säger Michael Pitloff, kemiingenjör på Solvay Specialty Chemicals som arbetar med halvledargaser.
I industriella tester med ett halvt dussin chipmakerkunder under de senaste sex åren, sa Pitloff, har han och hans team ersatt den smutsigare gasen med" renare" fluor, vilket har en lägre global uppvärmningseffekt.
Andra företag siktar på att etsa mönster på skivor och rengöra ytan på skivorna för gas - det tunna arkmaterialet som används för att göra halvledare. Till exempel har Air Liquide, ett Parisbaserat industrigasföretag, föreslagit en rad alternativa etsgaser som har en mindre inverkan på den globala uppvärmningen.
Men att byta ut gasen kommer att bli en utmaning: När fabs är igång är allt som rör vid kiselskivorna, såsom etsningsgas, svårt att ändra, sa Hanbury. Denna process innebär mycket precision. Fabs måste placera upp till 100 miljoner transistorer på skivor i stämpelstorlek, och de måste göra det perfekt. Det tar fyra till fem år för en fab att utveckla en formel, sa Hanbury, och" när du väl har ställt in den vill du i princip inte' ändra den."
Vissa experter tror att chipstillverkare kommer att börja ändra sina processer för att introducera mer miljövänliga gaser, särskilt om stora företag vidtar åtgärder."" Om TSMC växlar är jag' säker på att andra kommer att göra" Sa Fonstad. Om TSMC inte gör det kan andra tillverkare vända och bevisa att de är bättre än TSMC."
För vissa observatörer av chipindustrin verkar beslutsamheten att städa upp det verklig. Li sa att den nuvarande stora efterfrågan på chips bara kommer att hjälpa halvledarindustrin att nå sina hållbara utvecklingsmål.
De har höga marginaler och tjänar mycket pengar. Så även om alla dessa gröna kolåtgärder har en kostnad har de råd med det. Och fler och fler kunder är villiga att betala mer för grönare utrustning,", sade han.