Хотите победить в войне чипов? Вам понадобится много воды
Для победы в войне чипов нужно много воды
Для строительства полупроводникового завода требуются огромные площади земли и энергия, а также некоторые из самых точных машин на Земле. Сложность чиповых фабрик, как их называют, – одна из причин, по которой Конгресс США в прошлом году выделил свыше 50 миллиардов долларов для повышения производства чипов в США в попытке сделать страну более технологически независимой. Но по мере того, как США стремится развернуть больше фабрик, ей также необходимо обеспечить себя более неочевидным ресурсом: водой. Возьмем амбициозный план Intel по строительству мега-сайта стоимостью 20 миллиардов долларов за пределами Колумбуса, штат Огайо. В этой области уже есть три водоочистных завода, которые вместе предоставляют 145 миллионов галлонов питьевой воды ежедневно, но чиновники планируют тратить значительные средства на четвертый завод, чтобы, по крайней мере частично, удовлетворить потребности Intel.
Вода может не звучать как обычный компонент производства электроники, но она играет важную роль в очистке листов или пластинок кремния, которые разрезаются и обрабатываются в компьютерные чипы. Одна фабрика может использовать миллионы галлонов в один день, согласно исследовательскому центру по безопасности и новым технологиям Георгтаунского университета (CSET) – примерно столько же воды, сколько маленький город использует за год.
Чиповые компании, надеющиеся воспользоваться актом о чипах и науке, пакетом федеральных расходов, направленных на поддержку производства чипов в США, теперь строят новые водоочистные установки рядом со своими фабриками. И города, которые пытаются привлечь новые заводы, финансируемые этим законодательством, изучают потенциальное влияние на свои водные ресурсы. В некоторых местах может потребоваться обеспечение водоснабжения, в других местах необходимо установить новую инфраструктуру для переработки воды, используемой фабриками.
“Местные лидеры должны вести откровенные разговоры с сотрудниками службы водных ресурсов и сотрудниками по экономическому развитию своего города, чтобы убедиться, что любой новый крупный потребитель подходит сообществу”, – говорит Сара Портер, директор Кайловского центра по водной политике Аризонского государственного университета.
В некоторых местах уже идут работы по модернизации водной инфраструктуры, вызванные фабриками. Колумбус планирует открыть свой четвертый водоочистный завод в 2028 году, всего через несколько лет после того, как Intel начнет производить свои первые чипы. Город говорит, что новое водное сооружение, собирающее воду из близлежащей реки Сайото, необходимо для поддержки растущего населения района, включая Intel, который станет крупнейшим потребителем воды в районе.
- Выборы в Испании ставят на поруки свободных работников против крайн...
- Компания по искусственному интеллекту на поле битвы заявляет, что о...
- Гиганты искусственного интеллекта обещают разрешить внешнее исследо...
На расстоянии нескольких штатов, в засушливой Аризоне, крупнейший контрактный производитель чипов, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), планирует построить новое водоочистное сооружение для поддержки своих новых фабрик, строящихся в Финиксе, а также, по-видимому, получать воду из близлежащих рек и водных сооружений. В преддверии строительства 100-миллионного фабричного комплекса, построенного производителем микросхем Micron в северном штате Нью-Йорк, уже установлены огромные резервуары для хранения воды, каждый из которых может вместить около 15 миллионов галлонов.
Жажда чиповой индустрии требует множества воды. В США чиповые фабрики используют гораздо меньше воды, чем сельское хозяйство и производство энергии, и полупроводники не вызывают политических напряжений из-за водных ресурсов в масштабах страны, говорит Крис Миллер, профессор истории Туфтского университета в Массачусетсе и автор недавней книги Chip War. Тем не менее, в Тайване, родине TSMC, возникли проблемы из-за нехватки воды, когда засухи привели к противостоянию местных фермеров, которым отключили системы орошения, и производителя чипов.
Не всякая вода подходит. Как воздух внутри чиповой фабрики должен быть настолько свободен от пыли, что люди должны надевать защищающие одеяния, полупроводниковая индустрия использует специальную категорию “ультрачистой” воды для очистки кремниевых пластинок на протяжении всего процесса производства. В то время как обычная питьевая вода может иметь чистоту от 100 до 800 микросименсов на сантиметр – мера электропроводности, используемая в качестве одного из показателей загрязнения – ультрачистая вода имеет менее 0,055 микросименсов на сантиметр, согласно бостонской стартапу по переработке воды Gradiant, работающему с производителями чипов. Ультрачистая вода должна иметь очень низкую проводимость, что соответствует только небольшому количеству проблемных ионов или заряженных атомов.
“Если вы хотите получить самую высокую производительность материала, часто вам приходится идти к крайней чистоте”, – говорит профессор электротехники и компьютерной инженерии Корнеллского университета Грейс Ксинг, которая также руководит новым межуниверситетским центром исследований полупроводников SUPREME. “Вот почему полупроводниковая индустрия требует много воды”.
Производство ультрачистой воды – это многоэтапный процесс, который удаляет различные загрязнители, включая микроорганизмы и другие микроскопические существа, которые можно найти в океанах и озерах, а также более мелкие частицы, включая ионы соли. Один из используемых методов – это обратный осмос, также используемый в плантах по обессоливанию, который включает пропускание воды через мембрану с порами достаточно малыми для фильтрации солей. (Фабрики по производству микросхем также используют менее чистую воду, подобную той, которая вытекает из кранов в домах, для охлаждения производственного оборудования.) В связи с важной ролью воды в производстве микросхем, восстановление и повторное использование сточных вод стало приоритетом для отрасли. Чем больше может быть повторно использовано внутри фабрики, тем меньше ее потребность в использовании местного водоснабжения. В настоящее время пропорция сточных вод, которые могут быть переработаны, варьируется в зависимости от компаний и фабрик, в зависимости от используемых технологических процессов и вложений в очистку воды. Тем не менее, все они сталкиваются с одной и той же основной проблемой: при очистке пластинок ультрачистая вода становится загрязненной и требует тщательной очистки перед повторным использованием фабрикой или сбросом в общественную систему очистки сточных вод.
Очистка загрязненной воды является сложным процессом, поскольку в сточных водах фабрик могут находиться многочисленные загрязнители. Литография и травление могут производить кислотные сточные воды и даже загрязнять их мощной гидрофторной кислотой. Взвешенные частицы кремния могут появиться при снижении толщины пластинок, а использование растворителей, включая изопропиловый спирт, может оставлять органические остатки углерода.
Отрасль разработала способы разделения различных компонентов этих сточных вод, аналогично тому, как это делает обычное население при сортировке мусора, говорит Пракаш Говиндан, сооснователь и главный операционный директор Gradiant. “Отрасль полупроводников на самом деле очень продвинута в вопросе работы с сточными водами”, – говорит он. “Усовершенствованные компании, с которыми мы работаем – американские многонациональные компании, а также корейские и тайваньские компании – все они разделяют свои сточные воды на более чем 10 видов, как минимум, а некоторые из них на 15 или 16 видов”.
После этого сточные воды могут, например, подвергаться обработке для повторного использования, перенаправляться в канализацию или очищаться и перенаправляться в системы охлаждения.
Производители микросхем инвестируют в улучшение процесса фильтрации и очистки для повышения уровня повторного использования воды. Например, Intel планирует достичь положительного баланса по использованию воды в масштабах всего мира к 2030 году, частично основываясь на планах по обессоливанию и очистке морской и дождевой воды. В то же время Micron стремится сэкономить 75 процентов через “повторное использование, переработку и восстановление” к концу десятилетия. Gradiant заявляет, что, изменяя процесс обратного осмоса и используя улучшенную, собственную мембрану, удалось достичь показателя восстановления воды на уровне 98 процентов.
Тем временем, в период расширения отрасли, города и регионы должны быть готовы к тому, что приход фабрики по производству микросхем может означать для их систем водоснабжения и сообществ. Ставки высоки. Приблизительно 85 процентов воды, подводимой к фабрике по производству микросхем, в конечном итоге покидает ее, объясняет Портер, эксперт по водной политике из Аризонского государственного университета. Например, в то время как приход фабрик по производству микросхем не повлиял на доступность воды в штате, город Финикс имеет план по повышению качества сточных вод для использования в качестве питьевой воды.
