Nastal čas: udržateľná výroba polovodičov
Počas písania tohto článku sa vedci a politickí lídri z celého sveta pripravujú na COP 26 (október 2022), čo je skratka pre 26. konferenciu zmluvných strán (COP) Rámcového dohovoru OSN o zmene klímy (UNFCCC) v Glasgow v Škótsku. COP26 je 5-ročné (plus jednoročné oneskorenie pre Covid) hodnotiace stretnutie strán, na ktorom aktualizujú svoje plány na obmedzenie globálneho otepľovania spôsobeného človekom.
Väčšina diskusií sa zameriava na emisie skleníkových plynov (GHG). Trend vo výrobe polovodičov ukazuje, že emisie stúpajú, najmä v porovnaní so všeobecným výrobným priemyslom.
Emisie skleníkových plynov: všeobecné vs. výroba polovodičov
Obrázok č. 1 Emisie skleníkových plynov z výroby polovodičov stúpajú, zatiaľ čo emisie od tradičnejších výrobcov klesajú.
Prečítajte si viac v najnovšom článku
Pohyb smerom k riešeniu emisií je pre mnohé polovodičové spoločnosti na dobrej ceste a odvetvie naďalej zohráva vedúcu úlohu v celosvetovom úsilí o zníženie emisií skleníkových plynov.
Parížska dohoda
Posledné veľké stretnutie, COP21, sa konalo v Paríži v roku 2015 a viedlo k Parížskej dohode, v ktorej sa strany dohodli na spoločnej práci na obmedzení otepľovania na menej ako 2 °C (najlepšie menej ako 1,5 °C) nad predpriemyselnú globálnu priemernú teplotu. Každý zo 196 signatárov Parížskej dohody predložil národne stanovený príspevok (NDC), ktorý definuje kroky, ktoré sa zaviazali podniknúť na dosiahnutie celkového cieľa. Tieto NDC budú prehodnocovať a aktualizovať na COP26.
Medzi najvýznamnejší vývoj v uplynulých rokoch určite patrilo vystúpenie Spojených štátov z dohody krátko po jej podpísaní a nedávno aj jej návrat. IPCC a AR6 Práca UNFCCC je založená na analýze a podpore Medzivládneho panela pre zmenu klímy, medzinárodnej skupiny vedcov a odborníkov na zmenu klímy. IPCC tiež vydáva pravidelné hodnotiace správy (AR), z ktorých najnovšia, AR6, bola vydaná v auguste 2021.
Správa bola pozoruhodná pre takmer úplný konsenzus, ktorého sa dosiahol v jej pevnom závere, že zmena klímy je skutočná, merateľná a spôsobená človekom. Správa obsahuje podrobné predpovede a vykresľuje strašný obraz zmien, ktoré takmer určite nastanú, ak ľudia neobmedzujú svoje činnosti súvisiace so zmenou klímy.
Medzi hlavné závery uvedené v zhrnutí správy pre tvorcov politiky patria
- Je jednoznačné, že ľudský vplyv zohrial atmosféru, oceán a zem. Došlo k rozsiahlym a rýchlym zmenám v atmosfére, oceáne, kryosfére a biosfére.
- Rozsah nedávnych zmien v celom klimatickom systéme a súčasný stav mnohých aspektov klimatického systému sú bezprecedentné už mnoho storočí až tisícročí.
- Ľuďmi indukovaná zmena klímy už ovplyvňuje mnohé poveternostné a klimatické extrémy v každom regióne sveta. Dôkazy o pozorovaných zmenách v extrémnych podmienkach, ako sú vlny tepla, silné zrážky, suchá, a tropické cyklóny, a najmä ich pripisovanie ľudskému vplyvu, sa od AR5 zosilnila.
- Lepšie poznatky o klimatických procesoch, paleoklimatických dôkazoch a reakcii klimatického systému na zvyšujúce sa radiačné vynútenie poskytujú najlepší odhad rovnovážnej klimatickej citlivosti 3 °C s užším rozsahom v porovnaní s predchádzajúcou správou AR5 vydanou v roku 2014. Správa ďalej opisuje 5 scenárov, ktoré pravdepodobne vyplývajú z rôznych úrovní globálneho otepľovania, čo preukazuje čoraz závažnejšie vplyvy na vyššie úrovne otepľovania.
Obmedzenie skleníkových plynov
Väčšina diskusií o spôsoboch obmedzenia globálneho otepľovania sa zameriava na zníženie a nakoniec elimináciu emisií skleníkových plynov (GHG), ktoré sú základnou príčinou globálneho otepľovania.
Vyvíja sa konsenzus, že je potrebná určitá forma stanovenia cien uhlíka, ktorá by vyvíjala ekonomický tlak na emitentov tým, že by ich nútila zaplatiť náklady, ktoré všetci vynakladajú na degradáciu spoločného prostredia. V tomto okamihu sa tvorcovia politík snažia len stanoviť základné koncepcie a definície potrebné na to, aby takýto program fungoval.
Skleníkové plyny sú plyny, ktoré absorbujú infračervené (IR) žiarenie, ktoré sa vyžaruje z povrchu Zeme, keď sa zahrieva slnkom, čím zachytáva teplo a zvyšuje teplotu atmosféry. Oxid uhličitý je hlavný skleníkový plyn, aj keď existuje mnoho ďalších. Rôzne plyny môžu absorbovať infračervené žiarenie s rôznou účinnosťou a môžu pretrvávať v atmosfére rôzny čas.
Vedci používajú potenciál globálneho otepľovania (GWP) na porovnanie otepľovania spôsobeného rôznymi plynmi v priebehu určitého časového obdobia. Podľa definície má CO2 GWP 1. GWP pre iné plyny bežne používané v polovodičovom priemysle sú oveľa vyššie: CH4 – 28, N2 O – 265, CF4 – 6 630, NF3 – 16 100, SF6 – 23 500. Ekvivalent oxidu uhličitého (CO2 e) je ďalším meraním používaným na porovnávanie plynov. Zvyčajne sa uvádza podľa hmotnosti, CO2 e je množstvo CO2, ktoré by spôsobilo rovnaké množstvo zohriatia ako príslušný plyn. Na výpočet CO2 e vynásobte hmotnosť príslušného plynu jeho GWP.
Protokol o skleníkových plynoch (GHG) stanovuje štandardizované rámce na meranie a riadenie emisií skleníkových plynov, ktoré sú nevyhnutným predpokladom akéhokoľvek stanovenia cien uhlíka alebo iného kontrolného mechanizmu. GHGP definuje tri rozsahy emisií v závislosti od toho, kto vlastní tieto emisie a akú úroveň kontroly majú v každej fáze.
- Rozsah 1 – Priame emisie skleníkových plynov z prevádzok, ktoré vlastní alebo kontroluje vykazujúca spoločnosť (kotly, vozidlá, procesné plyny).
- Rozsah 2 – Nepriame emisie skleníkových plynov inými osobami z výroby zakúpenej alebo získanej elektriny, pary, vykurovania alebo chladenia spotrebovanej vykazujúcou spoločnosťou
- Rozsah 3 – Všetky nepriame emisie (nie sú zahrnuté do rozsahu 2), ktoré sa vyskytujú v hodnotovom reťazci vykazujúcej spoločnosti, vrátane emisií v predradenej fáze (od dodávateľov) a v následnej fáze (preprava, distribúcia, skladovanie).
Špeciálna správa IPCC vydaná v roku 2018 dospela k záveru, že krajiny musia dosiahnuť „netto nulové“ emisie oxidu uhličitého do roku 2050, aby udržali globálne otepľovanie v rámci 1,5 °C predpriemyselných úrovní. Existuje neúplná dohoda o tom, ktoré plyny by mali byť zahrnuté do definície čistej nulovej hodnoty. To vytvorilo nejednoznačnosť a umožnilo krajinám a organizáciám definovať čistú nulu podľa vlastných kritérií. V septembri 2020 CDP (projekt zverejňovania uhlíkových emisií) vyvinul metódy v mene iniciatívy Science Based Targets Initiative (SBTi) na stanovenie a posúdenie cieľov s nulovými emisiami na základe robustnej vedy o klíme.
Na opis emisií skleníkových plynov sa používajú aj iné pojmy, ako napríklad „uhlíková neutrálnosť“. Rozdiely medzi definíciami sú problematické. Napríklad čínska definícia „uhlíkovo neutrálnej“ zahŕňa len samotný CO2, zatiaľ čo EÚ prijala „klimaticky neutrálnu“, ktorá zahŕňa všetky skleníkové plyny. Existujú aj iné metódy nulového a neutrálneho hodnotenia a problém nejednoznačnosti sa ešte musí úplne vyriešiť. CDP jasne definuje ciele nulových emisií, ktoré zahŕňajú emisie skleníkových plynov rozsahu 1, 2 a 3 a sú v súlade s vedecky podloženými cieľmi 1,5 °C.
Výroba polovodičov
Výroba polovodičov nepatrne prispieva k emisiám skleníkových plynov. Napríklad v USA v roku 2015 predstavovalo 0,18 % celkových emisií skleníkových plynov (GHG) z priemyselných zdrojov a len 0,063 % zo všetkých zdrojov emisií skleníkových plynov [1]. Napriek svojmu relatívne malému prínosu zohral polovodičový priemysel vedúcu úlohu pri koordinácii celosvetových opatrení na zníženie emisií skleníkových plynov.
Rozsah 1: Priame emisie – PFC, príbeh úspechu
Prchavé perfluórokarbónové zlúčeniny (PFC) historicky zohrávali dôležitú úlohu pri výrobe polovodičov ako zdroj reaktívnych atómov fluóru používaných na odstraňovanie materiálu v procesoch leptania a čistenia komôr. Sú stabilné a majú tendenciu mať dlhú životnosť v atmosfére, vďaka čomu sú silnými skleníkovými plynmi s vysokým potenciálom otepľovania.
V roku 1999, pomerne skoro v histórii povedomia o globálnom otepľovaní, sa výrobcovia polovodičov zaviazali znížiť emisie PFC najmenej o 10 % pod základné hodnoty pre každý región v priebehu nasledujúcich 10 rokov. Do roku 2010 dosiahli zníženie o 32 %, čo ďaleko prekročilo pôvodný cieľ. V tom čase sa opäť zaviazali k ďalším zníženiam s cieľom dosiahnuť normovanú mieru emisií (NER – kilogramy CO2 e na cm2 kremíka) o 30 % nižšiu ako v roku 2010.
Do roku 2020 dosiahli zníženie o 22,9 %, a to napriek čoraz zložitejším výrobkom s viacerými vrstvami a pokročilým procesom leptania, ktoré využívajú nové plyny. WSC teraz pracuje na stanovení nového 10-ročného cieľa zníženia PFC, ktorý bude odhadovať emisie pomocou najnovších metodík IPCC z roku 2019. (OBRÁZOK 1). Príbeh PFC poskytuje vynikajúci príklad výziev, s ktorými sa stretávame pri hľadaní riešení komplexných environmentálnych problémov.
Úspech pri znižovaní emisií PFC mal dve hlavné zložky: prechod na nePFC NF3 pre mnohé aplikácie čistenia komory a prijatie technológií na zníženie emisií, ktoré by mohli zničiť nespotrebované plyny PFC, ktoré opustili procesnú komoru. PFC môžu byť zničené plazmovým alebo palivovým horákom. Plazma má tú výhodu, že nepridáva emisie uhlíka zo spaľovaného paliva. V praxi je však výber technológie často podmienený relatívnymi nákladmi a dostupnosťou elektrickej energie v porovnaní s palivovým plynom.
Aj keď je elektrická energia dostupná a nákladovo efektívna, zdroj tejto energie, t. j. uhlie alebo obnoviteľné zdroje, sa musí zohľadniť aj pri výpočte rozsahu 2 s nulovými emisiami uhlíka. Riešenie je ďalej komplikované konštrukciou horáka. Hoci samotný NF3 neobsahuje uhlík, spaľovanie v otvorenom plameni uhľovodíkových palív môže vytvárať PFC.
Problém je spôsobený veľkými teplotnými výkyvmi v otvorenom plameni a riešenie spočíva v špeciálne navrhnutom horáku, známom ako horák s vnútorným spaľovaním, ktorý udržiava rovnomernejšiu teplotu v kritických oblastiach a vo veľkej miere oddeľuje palivo obsahujúce uhlík od procesných plynov.
Rozsah 2: Nepriame emisie – Energia zakúpená z generátorov mimo pracoviska
Všadeprítomnosť elektronických technológií a exponenciálny rast, ktorý preukázali v posledných desaťročiach, by mohli ľahko viesť k záveru, že elektronika čoskoro spotrebuje viac energie, ako dokáže svet vyprodukovať.
Pravda je o niečo menej alarmujúca, ale stále dostatočne dôležitá na to, aby sa neignorovala. V roku 2015 predstavovali informačné a komunikačné technológie (IKT) približne 5 % celosvetovej spotreby energie. Do roku 2030 by IKT mohli predstavovať až 20 % celosvetového dopytu a aj tie najoptimistickejšie prognózy predpokladajú nárast na 7 %.
Energiu spotrebovanú elektronickými technológiami možno rozdeliť do dvoch vedier: energia použitá na výrobu zariadení, z ktorých takmer všetka sa v súčasnosti nakupuje od dodávateľov tretích strán, a energia použitá na prevádzku zariadení. Prvá z nich je zahrnutá do rozsahu 2 GHGP, druhá do rozsahu 3. Zaujímavé je, že v porovnaní s prognózou, že počítače čoskoro využijú všetku energiu, ktorú svet dokáže vyrobiť, záver vyvodený v nedávnej analýze, ktorá ukazuje, že energia rozsahu 2 použitá na výrobu zariadení ďaleko presahuje
Rozsah 3: Napájanie použité na ich prevádzku
Výrobcovia polovodičov sú už dlho citliví na vysokú spotrebu energie vo svojich výrobných procesoch, ak nie z environmentálneho hľadiska, tak z hľadiska nákladov. Väčšina odhadov uvádza, že podiel energie spotrebovanej procesnými zariadeniami je tesne pod polovicou celkového podielu spotrebovaného výrobným závodom. Približne polovicu z toho využívajú čerpadlá používané na udržiavanie podtlakových podmienok potrebných na prevádzku mnohých procesov.
Výrobcovia čerpadiel neustále zlepšujú energetickú účinnosť svojich výrobkov od začiatku priemyslu. Prispeli k tomu nové mechanizmy, vyššie otáčky hriadeľa, technológia invertora a nové materiály. Veľa nízko visiaceho ovocia bolo zozbieraných už dávno, ale niektoré oblasti stále ponúkajú priestor na ďalšie zlepšenie.
Jedným z najsľubnejších je implementácia prevádzky v nečinnom režime, niekedy nazývanom zelený režim, v ktorom sa čerpadlo uvedie do stavu nízkeho výkonu, keď je proces, ktorý slúži, v nečinnosti. Najväčšou výzvou je úzka koordinácia medzi procesným vybavením v závode a čerpadlami v subvýrobnom závode.
Technológie už existujú na podporu tejto koordinácie a časť odporu voči jej implementácii sa musí pripísať neochote operátorov zmeniť akýkoľvek aspekt vysokovýnosnej veľkoobjemovej výrobnej prevádzky. Prevádzka v ekologickom režime by mohla poskytovať krátkodobé zníženia emisií skleníkových plynov bez toho, aby si vyžadovala základné zmeny v prebiehajúcej výrobe.
Žiaľ, ďalšie procesy, ktoré sa teraz pridávajú do pokročilých uzlov, majú potenciál výrazne zvýšiť spotrebu energie, medzi nimi je EUV litografia, ktorá spotrebuje približne 10-krát viac energie ako bežná 193 nm ponorná litografia. Existujú kompenzačné faktory, ako napríklad zníženie počtu krokov spracovania. Napriek tomu analýza IMEC [4] odhadla zvýšenie spotreby energie o 3,46 a 2,5-násobné zvýšenie emisií skleníkových plynov na doštičku pri prechode z uzla 28 nm do uzla 2 nm.
Prvý výrobca, ktorý implementoval EUV litografiu vo veľkoobjemovej výrobe, veľká zlieváreň, videla, že jej normalizovaná spotreba energie (KWH na 8-palcovú ekvivalentnú vrstvu doštičkovej masky) sa zvýšila o viac ako 25 % na 12,5 KWH v roku 2019 po niekoľkých rokoch tesne pod 10 KWH.
Zatiaľ čo trend vo výrobe polovodičov je jednoznačne jeden zo zvyšujúcej sa spotreby energie (OBRÁZOK 3), riešenie je rovnako jasné. Spotreba energie sa musí prepnúť na obnoviteľné zdroje.
Je to riešenie, ktoré sa nestratí u veľkých výrobcov. V roku 2020 podpísala tá istá zlieváreň najväčšiu svetovú zmluvu o nákupe energie z obnoviteľných zdrojov, 20-ročnú dohodu o nákupe všetkej energie z neďalekej 920-megawattovej pobrežnej veternej farmy a zaviazala sa používať 100 % obnoviteľnú energiu do roku 2050. [6]. Najväčšia americká spoločnosť IDM sa zaviazala, že do roku 2030 bude využívať 100 % obnoviteľnú energiu. Podobné záväzky prijali aj iní významní hráči, ale ako vždy je diabol v detailoch.
Rozsah 3: Nahor/nadol
Priradenie rozsahu je pre rozsah 3 o niečo náročnejšie – závisí to od toho, kto počíta. Pre výrobcu sú emisie skleníkových plynov na výrobu energie spotrebovanej používateľom v dátovom centre v smere toku, rozsah 3. V prípade dátového centra sú to nepriame emisie skleníkových plynov z nakúpenej energie, rozsah 2, a výrobné emisie sú predradené, rozsah 3.
Bez ohľadu na rozsah spočíva konečné riešenie emisií z používania v prechode na obnoviteľné zdroje energie. Niektorí z najväčších používateľov počítačových technológií sú v tomto prechode ďaleko pred svojimi výrobnými náprotivkami. Google a Facebook začali nakupovať obnoviteľnú energiu v roku 2013.
Hoci sa odvtedy celková spotreba energie v dátových centrách zvýšila, emisie uhlíka z prevádzkovej spotreby energie klesli. Ďalším faktorom pri znižovaní emisií bolo dramatické zvýšenie výpočetnej energetickej účinnosti v priebehu histórie odvetvia. Keďže tranzistory boli menšie, rýchlejšie a energeticky efektívnejšie, zvýšil sa počet pokynov vykonávaných na jeden watt. Tento trend sa v posledných rokoch zrýchlil, keďže dopyt po väčších kapacitách a dlhšej životnosti batérií v mobilných zariadeniach vyvíjal dodatočný tlak na zlepšenie výkonu aj energetickej účinnosti.
Zďaleka najväčším vplyvom polovodičových zariadení na podporu udržateľnosti je ich prínos k energetickej účinnosti v celom hospodárstve.
Polovodiče – základná technológia modernej elektroniky – poskytujú technologický základ pre riešenia, ktoré podporujú udržateľnosť a energetickú účinnosť prakticky vo všetkých odvetviach hospodárstva. Polovodiče zvyšujú energetickú účinnosť a znižujú emisie skleníkových plynov v doprave, výrobe, zdravotnej starostlivosti, vykurovaní a chladení a iných hlavných oblastiach hospodárstva.
Z takmer akejkoľvek perspektívy, či už environmentálnej, ekonomickej alebo spoločenskej, výhody pokročilých elektronických technológií prevažujú nad nákladmi.
COP26
Závery IPCC založené na dôkazoch sú jednoznačné: ľudia spôsobujú otepľovanie životného prostredia. Jeho predpovede sú zlé a náklady na nečinnosť, ľudskú aj ekonomickú, ďaleko prevyšujú náklady na zmiernenie. Hoci polovodičový priemysel v súčasnosti nepatrí medzi najväčších emitentov skleníkových plynov, naše emisie sú významné a rýchlo rastú.
Existujú opatrenia, ktoré môžu zabezpečiť krátkodobé zníženie emisií skleníkových plynov z výrobného procesu polovodičov, vrátane dobre navrhnutého znižovania PFC a prevádzky vákuových čerpadiel v ekologickom režime. Zďaleka najkritickejšou zmenou je prechod na obnoviteľné zdroje energie v celom odvetví a v celom dodávateľskom reťazci. S návratom Spojených štátov k Parížskej dohode konferencia zmluvných strán opäť zahŕňa všetky hlavné hospodárske mocnosti. Musíme požadovať koordinované vedenie a finančné záväzky od našich národných lídrov a pokračovať v práci na všetkých úrovniach, od miestnych až po globálne, na znížení emisií skleníkových plynov.
DR. CZERNIAK je manažérom pre rozvoj podnikania v oblasti environmentálnych riešení v spoločnosti Edwards Vacuum, kde počas svojej dlhej kariéry predtým zastával niekoľko vedúcich pozícií. Je tiež hosťujúcim priemyselným profesorom chémie na Univerzite v Bristole a zástupcom odvetvia polovodičov v IPCC, v rámci ktorého sa podieľal na revízii nedávnej hodnotiacej správy (AR6).
Referenčné čísla
- Polovodičový priemysel pokračuje v boji proti zmene klímy, David Isaacs, viceprezident pre vládne záležitosti, blog SIA, Streda, 7. júna 2017, 15:17 https:// www.semiconductors.org/semiconductorindustry-to-continue-action-on-climatechange/
- Spoločné vyhlásenie z 25. zasadnutia Svetovej rady pre polovodiče http://www. semiconductorcouncil.org/wp-content/ uploads/2021/08/FINAL-25th-WSC-JointStatement_0602.pdf
- Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing, Udit Gupta, et al, Medzinárodné sympózium IEEE o vysokovýkonnej počítačovej architektúre (HPCA 2021) https://ugupta.com/files/ ChasingCarbon_HPCA2021.pdf
- Environmentálna stopa logických technológií CMOS – analýza založená na DTCO, IMEC https://www.IMEC-int.com/ en/articles/environmental-footprint-logiccmos-technologies
- Priemysel čipov má problém so svojou obrovskou uhlíkovou stopou, Bloomberg Green, Alan Crawford, Ian King, a Debby Wu, 8. apríla 2021, 17:01 EDT https://www. bloomberg.com/news/articles/2021-04-08/ the-chip-industry-has-a-problem-withits-giant-carbon-footprint
- Priemysel počítačových čipov má špinavé klimatické tajomstvo, The Gaurdian, Pádraig Belton, sob. 18. septembra 2021 08:00 EDT https:// www.theguardian.com/environment/2021/ sep/18/semiconductor-silicon-chipscarbon-footprint-climate