Miközben egyre növekszik a kereslet a szilícium alapú chipek iránt, amelyek az okostelefonoktól és televízióktól a szélturbinákig a világon mindenbe be vannak ágyazva, ennek nagy ára van, ami egyben az iparág legnagyobb problémája is: a gigantikus CO2 lábnyom.
◼︎ Szilícium szilencium
Az chipgyártást súlyos paradoxon terheli: a globális éghajlati célok eléréséhez nagyrészt félvezetőkre kell támaszkodnunk, mivel például az elektromos járművek, napelemrendszerek és szélturbinák is az átállás szerves részét képezik, a fejlett töltőhálózatokról és akkumulátorokról nem is beszélve. Ugyanakkor a chipgyártás is hozzájárul a klímaválság előidézéséhez, mivel hatalmas mennyiségű energiát és vizet igényel – egy chipgyártó üzem naponta több tízmillió liter vizet használ fel – ráadásul tetemes mennyiségű veszélyes hulladékot is termel.
Ahogy a félvezetőipar a fentebb említett paraméterei miatt is egyre inkább reflektorfénybe kerül, úgy nő rajta a nyomás, hogy megbirkózzon a saját éghajlati hatásaival. A Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), a világ legnagyobb chipgyártója, amely az Apple-nek is szállít chipeket, már két éve ígéretet tett arra, hogy 2050-re elérik a nettó nulla CO2 kibocsátást. „A vállalat szeretné kiterjeszteni ’zöld befolyását’, és ezzel igyekszik az ipart az alacsony széndioxid-kibocsátású fenntarthatóság felé terelni”, mondta el Mark Lui, a TSMC elnöke.
Kihívás a javából: nézzük a számokat!
A Greenpeace adatai szerint a TSMC önmagában az összes tajvani villamos energia körülbelül 8-10%-át használja fel, 2030-ra pedig az előrejelzések szerint megduplázódik majd ez az érték. A vállalat 2022-ben körülbelül 100 millió tonna vizet használt fel, és mind a Samsung, mind pedig a TSMC több áramot fogyasztanak, mint néhány komplett ország. Kész csodának számít tehát, hogy eddig nagyrészt elkerülték a klímatárgyalások és viták nyomán indult vizsgálatokat, annak ellenére, hogy főképp szénre és más fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodnak. Xueying Wu, a Greenpeace Kelet-Ázsia globális technológiai projektjének vezetője szerint a TSMC-nek és a Samsungnak 2030-ra a 100 százalékban megújuló energiát kellene megcéloznia világszerte, épp úgy, ahogy az ügyfeleik, az Apple és a Microsoft tették. A TSMC vízhasználata egyébként már korábban átpolitizált és vitatott témává vált az aszályos évek után, amelyek szembeállították a tajvani chipgyártókat a gazdákkal.
Az Egyesült Államokban egyetlen üzem, az Intel 700 hektáros kampusza az arizonai Ocotillóban közel 15 000 tonna hulladékot termel mindössze három hónap alatt, amelynek körülbelül 60 százaléka tartozik veszélyes kategóriába. Ezenkívül majdnem 4 milliárd liter édesvizet fogyaszt ugyanezen időtartam alatt, ami körülbelül 1400 olimpiai úszómedence megtöltéséhez lenne elegendő, 561 millió kilowattóra energia felhasználása mellett.
Udit Gupta, a Harvard kutatója megállapította, hogy az elektronikai eszközökből származó széndioxid-kibocsátás nagy részét nem is az energiafogyasztás vagy a hardverhasználat adja, hanem a chipgyártás. A Covid-19 világjárvány alatt globális hiány lépett fel a csúcskategóriás chipekből, mivel a világjárvány megnövelte az elektronikai cikkek iránti keresletet, a gyárak pedig bezártak, és az iparág a reflektorfénybe került. A járványt követően a termelés növelése érdekében sok ország nagy programokba kezdett a gyártás fellendítésére.
A saját farkába harapó kígyó és a megoldások
Ezek az ambíciók hamar összeütközésbe kerültek a nemzetközi éghajlatváltozás-elhárítási célokkal, hiszen mind az EU, mind pedig az USA célja az, hogy 2030-ra felére csökkentsék szén-dioxid kibocsátásukat, 2050-re pedig elérjék magát a nettó zéró kibocsátást. Ám ahogy a félvezetőipar növekszik, úgy nő a lábnyoma is.
Mark Li, a Bernstein befektetési cég félvezetőpiaci elemzője szerint az etikus befektetés térnyerése segíthet a piacon és a fenntarthatósági gondokon. Az alapkezelők egyre inkább a „zöld alapok” forgalmazását részesítik előnyben, a befektetők pedig egyre több kérdést tesznek fel a vállalatok környezeti, társadalmi és irányítási (ESG) működéséről, hatásairól. „Az elmúlt három évben az ESG-befektetők hangja sokkal hangosabbá vált, mint korábban volt. Ez végső soron megváltoztatja a vállalatok viselkedését”, mondta Li.
A megújuló energia könnyebb elérhetősége is segít a chipgyártóknak csökkenteni a CO2-lábnyomukat. Az Intel például kötelezettséget vállalt arra, hogy 2030-ra energiáját 100 százalékban megújuló forrásokból szerzi majd be, akárcsak a TSMC, de náluk a kommunikált határidő egyelőre 2050. „Az energiafogyasztás a TSMC kibocsátásának 62 százalékát teszi ki”, mondta a cég szóvivője, Nina Kao.
A cég nem kis lépésekkel halad a célok felé, 20 éves szerződést írtak alá a dán Ørsted energiacéggel, amely szerint a Tajvani-szorosban épülő Ørsted 920 megawattos tengeri szélfarm teljes energiatermelését megvásárolják. „Ez az ügylet, amely a világ legnagyobb vállalati megújulóenergia-vásárlási megállapodása lett, számos előnnyel jár a TSMC számára”, mondta Shashi Barla, a Wood Mackenzie energia-tanácsadó cég megújuló energiaforrásokkal foglalkozó elemzője. „Amellett, hogy garantálja a tiszta áramellátást, az energiáért így nagykereskedelmi költséget fizetnek, és megvédik magukat az ársokkoktól is, vagyis két legyet ütnek egy csapásra”.
Clifton Fonstad, az MIT elektromérnöki és számítástechnikai professzora szerint a TSMC lépései potenciálisan befolyásolhatják az iparág többi részét, „valószínűleg más gyártók is követik majd a példát”, mondta. A megújuló energiaforrásokra való átállás mellett a chipgyártók hatékonyságnövelést is generálnak az építőiparban, mondta Peter Hanbury, a Bain & Company vezetési tanácsadó cég félvezetőgyártási szakértője, majd hozzátette, hogy egy chipgyár alapvetően egy gigantikus tisztaüzem, steril helyiségekkel, és a károsanyag-kibocsátás csökkentésének tekintetében a legegyszerűbb magát a létesítményt bevonni ebbe.
Az ilyen gyárak hatékonyabban szabályozhatják a levegő és a víz hőmérsékletét, páratartalmát és nyomását is. Úgy szegmentálhatják az üzemeket, hogy az egyik gyártósoron magas, a másikon alacsonyabb nyomás uralkodjon, kevesebb energiát használva, mintha az egész üzemben magas nyomás lenne beállítva. Ráadásul több adatot rögzíthetnek, és gépi tanulással ellátott vezérlőrendszereik kikapcsolhatják az eszközöket, amikor éppen nem használják őket, mondta Huili Grace Xing, a Cornell Egyetem mérnök professzora, aki félvezető anyagokkal foglalkozik. Létezik olyan innováció is, melynek célja a félvezetők gyártásához használt legszennyezőbb anyagok kezelése.
Gáz már van, gázcsere majd lesz
A chipipar ugyanakkor különböző gázokat is felhasznál a gyártási folyamat során, amelyek közül sok jelentős negatív klímahatást gyakorol a környezetre. „A chipgyártó cégek sok pénzt keresnek, tehát, bár ezeknek a zöldíteni igyekvő, széndioxid-kibocsátással kapcsolatos intézkedéseknek a költsége relatíve magas, megengedhetik maguknak”, vélekedett a már idézett Mark Li, félvezetőipari elemző. A TSMC már üzembe is állított gázmosókat és egyéb tisztító létesítményeket a gázkibocsátás kezelésére, de létezik egy másik út is, amely a piszkosabb tisztítógázok felváltásával számol. „Ezeket ma a félvezetőgyártás kényes kezelést igénylő szerszámainak megtisztítására használják”, mondta Michael Pittroff, a Solvay Special Chemicals félvezetőipari gázokkal foglalkozó vegyészmérnöke. Pittroff arról is beszámolt, hogy az elmúlt hat év ipari tesztjei során körülbelül fél tucat chipgyártó ügyféllel a környezetszennyezőbb gázokat a relatíve „tisztább” fluorra cserélték, ami alacsonyabb globális felmelegedést okoz.
Más cégek azokat a gázokat veszik célba, amelyekkel az áramköri mintákat marják a szilícium wafer (20-32 cm átmérőjű, 1 mm vastag korong) felületére, amelyen az egyes chipeket csoportosan kialakítják. Az Air Liquide párizsi székhelyű iparigáz-gyártó cég például olyan alternatív maratógázok sorával állt elő, amelyek globális felmelegedést kiváltó hatása alacsonyabb. A gázok cseréje nem egyszerű és valószínűleg a jövőben is komoly kihívás marad. Bármin, ami kapcsolatba kerül a szilícium lapkával – például egy maratógázon – nagyon nehéz változtatni, ha egy gyár már működik – mondta Hanbury (Bain & Company). Ennek oka, hogy a folyamat rendkívül nagy pontosságot igényel. A gyárakban akár 100 millió tranzisztort is el kell helyezni egy-egy postai bélyeg méretű ostyára, és ezt ráadásul hibamentesen, tökéletesen kell elvégezni. Négy-öt évbe is beletelik, míg a gyártók kidolgoznak egy működő tervet erre a célra, és ez tipikusan olyan beruházás, amire igaz a régi mérnöki mondás: „Azt a gépet, amelyik működik, nem piszkáljuk!” „Ha egyszer beállítottad, alapvetően soha nem akarod majd megváltoztatni”, hangsúlyozta Hanbury.
Egyes szakértők úgy vélik, hogy a chipgyártók módosítani fogják folyamataikat, hogy kevésbé káros környezeti hatással rendelkező gázokat használjanak, különösen, ha a nagyobb szereplők némelyike is belevág ebbe. „Ha a TSMC vált, biztos vagyok benne, hogy a többiek is fognak. Ha a TSMC nem lép, akkor más gyártók azért válthatnak, hogy megmutassák, jobbak a TSMC-nél”, mondta Fonstad (MIT). A chipüzletág egyes megfigyelői valósnak látják az ipar megtisztítására irányuló eltökéltséget: „A chipek iránti óriási kereslet jelenleg segít a félvezetőiparnak a fenntarthatósági célok megvalósításában”, summázta véleményét Li.
2024-es kilátások
A félvezető chipek használata évente globálisan 35 százalékkal növekszik. Tekintettel arra, hogy a technológia milyen gyorsan fejlődik, és hány emberrel bővül a világ népessége, ez az arány tovább fog növekedni. A digitális készülékek aránya globális energiafelhasználásban 7%, és a Micro Commercial Components életciklus-elemzése szerint egy 150 mm-es félvezetőlapkára integrált áramkör gyártása 285 kWh teljesítményt vagy másképp megközelítve 1,6 kWh-t használ fel négyzetcentiméterenként.
A sokat emlegetett TSMC-nek pedig egyre jobban megy az üzlet, tavaly 3 nanométeres lapkákat dobott piacra az Intel előtt, nagyjából egy időben a fő riválisnak számító Samsunggal. 2025-ben érkeznek majd a 2 nm-es chipek, és már elkezdték fejleszteni az 1,4 nm-es chipeket is. Körülbelül a 14 nm-es érték óta ennek a paraméternek semmi köze a „csíkszélességhez”, inkább a gyártási eljárással megvalósítható elemsűrűségre, az eljárás technológiai fejlettségére utal, afféle formafaktor. Tehát az elemi tranzisztorok kialakításának és elhelyezésének fejlesztésével a chiptervezők egyre több komponenst tudnak ugyanakkora helyen elhelyezni, ami csökkentheti a méretet, és javíthatja az energiafogyasztást a számítási teljesítmény növelése mellett. Ez a fenntarthatóság javulásának tűnhet, de a fejlettebb chipekből a piaci sikerük nyomán többet gyártanak, mint amennyire „zöldek”, vagyis a CO2-lábnyom nem csökken.
