集微網消息，“做好碳達峰、碳中和工作”已成為我國“十四五”重點任務之一：力爭2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和的目標被再次強調。隨著歐盟、美國、日本等地區(qū)和國家政策的陸續(xù)出臺，屆時占全球經濟總量70%、全球碳排放量65%以上的國家都提出了碳中和目標。
一時間，“碳達峰”“碳中和”成為社會熱詞，不少媒體將2021年稱為“碳中和元年”。這一任務如何實現？節(jié)能減排是核心工作之一。在“全球缺芯”的背景下，半導體企業(yè)除了問革新技術、擴充產能外，如何在“雙碳”大考中交出一份“芯答卷”備受外界關注。
“碳中和”與半導體企業(yè)的遭遇戰(zhàn)
身處低碳經濟時代，綠色、可持續(xù)發(fā)展已不再是企業(yè)的“加分項”，而轉變?yōu)槠渖婧桶l(fā)展的“及格線。半導體工業(yè)是一個高能耗產業(yè)，具有設備的昂貴性、敏感性和制造過程的復雜性。當半導體企業(yè)與碳中和”狹路相逢“，如何邊發(fā)展、邊降碳，已成為必須要回答的問題。
據了解，一顆芯片的面世，要經歷近3000多道工序，在幾十個足球場大小的工廠里維持超凈、恒溫、高溫高壓、真空、強電磁場的復雜環(huán)境；同時，為防止溫度過高，還需設置龐大的水冷系統(tǒng)。工廠全年365天、全天24小時運轉，無疑將帶來驚人的能耗。
臺灣民意代表高金素梅也指出，臺積電是最大工業(yè)用電戶，自2010年到2019年，用電增加223.8％；2020年臺積電5nm廠投產，一年用電量是63億度，超過臺灣地區(qū)東部56萬人口的用電量；2022年臺積電3nm廠投產，每年用電量將達77億度，超過臺南市一年的民生及商業(yè)用電。一個3nm廠，將吃掉整個臺灣地區(qū)用電量的3％。
同時，根據2019年《臺積電企業(yè)社會責任報告書》顯示，包括中國臺灣廠區(qū)、WaferTech、臺積電（中國）、臺積電（南京）、采鈺公司，當年臺積電全球電能消耗量為135.8億度，而臺灣地區(qū)2019年綠色能源發(fā)電量為140億度。
”雙碳“大考來臨，不少半導體企業(yè)采取積極應對措施：2020年，英飛凌率先承諾實現碳中和，并制定”有約束力的減排目標“：到2025年將二氧化碳排放量較2019年降低70%，到2030年實現碳中和；臺積電承諾，2050年將100%使用可再生能源，并與風電公司沃旭達成合作，每年34.5億度電將用綠色電力代替；而臺積電在芯片制造領域強勁競爭對手之一的三星也宣布，其在美國、歐洲和中國的生產均使用100%的可再生能源；英特爾則宣稱，自愿減少碳排放已超過20年……
不同于早期較高的利潤，在能源成本日益高漲的當下和碳中和政策持續(xù)加碼的未來，半導體企業(yè)無法忽視因能源成本增加而帶來的高額支出，在節(jié)約成本、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等方面，向制造環(huán)節(jié)提出了更為嚴格的要求。
逢山開路，遇水架橋。當前全球半導體制造企業(yè)主要應對措施體現為：一、提高能源效率，在制造領域采用現代化工藝技術；二、化學品替代，如使用CVD清潔氣體為NF3替代高GWP的PFC氣體，消除60-70%的排放；三、使用具有來源保證的100%綠色電力；四、對于無法完全避免的排放，以高質量標準購買碳排放證書，支持具有生態(tài)和社會效益的項目。
由全球領先的半導體廠商AMD、英飛凌、IBM、英特爾、臺積電、飛利浦等組成的業(yè)界聯(lián)盟International Sematech Manufacturing Initiative（ISMI）指出，如果整個芯片產業(yè)都采取節(jié)能降耗的最佳生產方式，全行業(yè)每年有望節(jié)電48億千瓦時，約合4.8億美元，足夠17.7萬個家庭使用。
進擊的第三代半導體，節(jié)能減排從”芯“開始
半導體企業(yè)低碳之路如同硬幣的正反面，既要直面其生產制造過程中帶來的”高能耗“，也要關注到和利用好”高能耗“的另一面，即對各行業(yè)實現節(jié)能減排目標的助推作用。
有別于第一、二代半導體材料，以碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）為材料的第三代半導體具有效率高、能耗小的特點，對社會節(jié)能減排，實現碳中和發(fā)展目標有著積極作用，被廣泛應用于衛(wèi)星通訊、智能電網、軌道交通、航天航空、新能源汽車等熱門新興產業(yè)。
當前，電力行業(yè)作為碳排放主戰(zhàn)場，亟需構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，加強電網的柔性互聯(lián)互通，當中需要大量的半導體器件。未來在智能電網建設或能源互聯(lián)網建設中，碳化硅器件將會有非常好的應用前景。
近年來，國家和地方政府先后出臺政策促進第三代半導體材料產業(yè)快速發(fā)展，我國第三代半導體企業(yè)從小批量研發(fā)”快步“邁向規(guī)模化商業(yè)化生產：2021年5月，山東天岳遞交了科創(chuàng)板上市招股書，有望成為第一個科創(chuàng)板上市的碳化硅襯底材料企業(yè)；同年6月，湖南三安半導體基地一期項目正式投產，有望形成月產3萬片6英寸碳化硅晶圓的生產能力。
除了第三代半導體，功率半導體器件和模擬芯片在碳達峰、碳中和中發(fā)揮的作用也不容忽視。有電力電子的”CPU“之稱的前者，可在電子設備中起到對電能（功率） 的傳輸、處理、存儲和控制；后者則在電子設備系統(tǒng)中擔負著對電能變換、分配、檢測及其他電能管理的職責。
由此可見，半導體技術的進步對于節(jié)能減排的重要意義至少體現在以下兩個方面：通過產品設計和生產工藝的改進，有效降低半導體器件自身的功耗；同時，直接或間接地提高系統(tǒng)其他部件的能效，在能量的傳遞和使用的全過程中，起到監(jiān)測、調節(jié)、優(yōu)化和控制的作用。
當前，有利于能源轉型的半導體新技術、新創(chuàng)造已成為邁向碳達峰、碳中和的有力抓手和破題關鍵。
身處碳交易市場，特斯拉的另類啟示
每噸52.78元，成交16萬噸，交易額790萬元——這是全國碳交易市場開市2分鐘后的第一筆交易。7月16日，全國碳交易市場在北京、上海、武漢三地鳴鑼開市，國家節(jié)能減排戰(zhàn)略部署拉開帷幕。
當前，建立全國碳排放權交易市場，已然成為中國利用市場機制推動綠色低碳發(fā)展，減少和控制溫室氣體排放的重要制度創(chuàng)新，也是實現”雙碳目標“的重要政策措施，對碳市場格局具有積極促進作用，且有跡可循。
2021年6月10日，搭載了由碳化硅（SiC）為主要器件的逆變器的特斯拉 Model S Plaid 發(fā)布（迄今為止，已有3款車型采用 SiC 技術）。除此之外，比亞迪、蔚來搭載SiC 技術的車型也已推出或即將發(fā)布；仍然是特斯拉，近3年來通過銷售碳排放積分（該政策與我國碳交易有所不同，但本質不變），分別獲利4.19億美元、5.93億美元和15.8億美元，而其2020年全年凈利潤僅為7.21億美元。這意味著，如果剔除出售碳排放積分的收益，則2020年特斯拉虧損8.59億美元。
依靠半導體技術對新能源車排放的有效管理，特斯拉彌補了因高額研發(fā)支出帶來的”失血“，這種模式在傳統(tǒng)碳稅政策下不可想象。先進的半導體技術可幫助各行業(yè)減少碳排放獲得收益，而半導體企業(yè)同樣大有可為。
例如，半導體企業(yè)可通過技術升級改造出售排放權獲益，具體措施上可通過在腐蝕和CVD室清潔過程中減少氟化物的排放而獲得排放權；同時，由于參加排放交易，半導體企業(yè)可進一步證實其在節(jié)能減排方面所作的積極承諾，提升其對社會負責的行業(yè)形象。
機遇與挑戰(zhàn)總是結伴而行。怎樣如期實現企業(yè)各自承諾的目標與計劃？如何利用先進技術反哺產業(yè)？”碳中和“視角下，各行各業(yè)的低碳之路正在不斷延伸和迭代。