EUV光刻机太耗电令人担忧

极紫外(EUV)光刻技术对于未来数年现代工艺技术和半导体制造至关重要。然而，每台EUV工具的耗电量为1400千瓦（足以为一座小城市供电），EUV光刻系统已成为影响环境的大量电力消耗者。TechInsights认为，到2030年，所有配备EUV工具的晶圆厂的年耗电量将超过54，000千兆瓦(GW)，这比新加坡或希腊等许多国家每年的耗电量还要多。

目前的低NAEUV扫描仪需要高达1，170kW的功率，而下一代高NA工具预计每台需要高达1，400kW的功率（根据TechInsights）。英特尔、美光、三星、SK海力士，当然还有台积电运营的晶圆厂安装的此类机器数量每年都在增加。

TechInsights认为，到2030年，配备EUV扫描仪的晶圆厂数量将从现在的31家增加到59家，运行中的设备数量将增加一倍左右。因此，所有安装的EUV系统每年将消耗6，100GW的电力，这意味着到那时将有数百台机器投入运行。

6，100GW/年的耗电量（与卢森堡相当）不算多。然而，制造每颗先进芯片需要4，000多个步骤，而晶圆厂中有数百种工具。EUV设备约占晶圆厂总用电量的11%，其余部分由其他工具、HVAC、设施系统和冷却设备组成。因此，所有配备LowNA和HighNAEUV工具的晶圆厂的耗电量估计将增加到54，000GW/年。

体来说，每年54，000千兆瓦的电力大约是Meta数据中心在2023年消耗的电力的五倍。这也超过了新加坡、希腊或罗马尼亚每年的电力消耗，是拉斯维加斯大道每年电力消耗的19倍多。然而，虽然这是一个相当大的电力量，但它仅占2021年全球电力消耗（25，343，000千兆瓦/年）的0.21%，这是一个相当小的份额。

很容易推断，如果59个配备EUV工具的尖端半导体生产设施每年消耗54，000GW，则每个设施每年将消耗915GW，与最先进的数据中心的电力消耗相当。

预计到2030年，配备EUV的晶圆厂数量将增加近一倍，而电力消耗也将增加一倍以上，电力基础设施将面临重大挑战，因为即使在今天，AWS、Google、Meta和微软等公司仍在努力寻找地方建设兆瓦和千兆瓦级数据中心，因为电网必须能够处理它们。

吃电怪兽，EUV光刻机

最近有文章对人工智能对芯片制造电力消耗的影响提出了警告。然而，推动这一需求的具体半导体制造工艺尚不明确。半导体制造需要100多种不同类型的工艺工具，其中极紫外(EUV)光刻工具是最昂贵且耗能最高的。EUV工具代表了该行业的最新进展，它能够在一平方英寸的硅片中塞入更多晶体管，以满足处理人工智能、高性能计算和自动驾驶应用的需求。

光刻技术涉及将晶体管图案印刷到硅片上，自20世纪50年代末以来一直用于半导体制造。几十年来，该行业逐渐采用波长更短的光来印刷更小的晶体管，而193纳米深紫外(DUV)光刻技术是过去20年的主力技术。

EUV工具中使用的光的波长为13.5纳米，远远超出可见光谱，这代表着半导体制造的复杂性呈指数级增长。这种光在地球上不会自然产生。它必须使用高功率激光产生，激光撞击锡滴以产生等离子体，然后等离子体发出必要的光。在EUV工具中，这种强光源会穿过多个镜头或从镜子反射，在穿过机器时吸收能量。对于当前一代的EUV工具，维持这种光源和加工所需的真空环境需要每台工具高达1，170千瓦的功率。下一代EUV工具将采用高数值孔径(HighNA)，预计每台工具需要高达1，400千瓦的功率。

TechInsights目前正在跟踪31家使用EUV光刻技术的晶圆厂，另有28家晶圆厂将在2030年底前实施EUV。这将使EUV光刻系统的数量增加一倍以上，这意味着仅EUV系统每年就需要超过6，100千兆瓦的电力。在现实世界中，这是拉斯维加斯大道一年用电量的两倍多。

虽然有500多家公司生产半导体，但只有少数公司有能力、有需求和技能来支持EUV光刻系统，这对特定区域的能源网有影响。在大批量生产(HVM)中使用EUV系统的晶圆厂包括：台湾（台积电和美光）、韩国（三星和SK海力士）、日本（美光）、亚利桑那州（英特尔和台积电）、俄亥俄州（英特尔）、爱达荷州（美光）、俄勒冈州（英特尔）、纽约州（美光）、德克萨斯州（三星）、德国（英特尔）和爱尔兰（英特尔）。

图表显示了全球大批量制造工厂中EUV工具年度用电量的预测增长情况。

需要注意的是，该图表仅显示了EUV工具的耗电量，而不是晶圆厂所需的总电量。事实上，EUV工具仅占晶圆厂总耗电量的约11%。其他工艺工具以及设施设备都需要电力，包括用于支持洁净室工具的泵以及用于维持洁净室温度、湿度、气流和纯度的复杂HVAC系统。总而言之，58家使用EUV光刻技术的晶圆厂每年所需的总电力可能超过54，000千兆瓦，相当于拉斯维加斯大道一年用电量的19倍，可能会给台湾、韩国和美国的电网带来负担。

EUV光刻技术在半导体制造中的快速应用标志着一项重大的技术飞跃，使生产对人工智能、高性能计算和自动驾驶至关重要的更小、更强大的晶体管成为可能。然而，这一进步对能源消耗产生了相当大的影响。到2030年，配备EUV的晶圆厂数量将增加一倍以上，电力需求将激增，对电力基础设施和可持续性构成挑战。半导体行业、政策制定者和能源供应商必须合作开发创新解决方案，以平衡技术进步与环境管理。