نقش نیمه‌هادی‌‌‌ها در انتقال انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر غیرقابل کتمان است
روی دیگر تولید نیمه‌هادی‌‌‌ها
آیا هزینه زیست محیطی تولید نیمه‌هادی‌‌‌ها با کمک آنها به انتقال سبز بلندمدت جبران می‌شود؟
نیمه‌هادی‌‌‌ها بلوک‌‌‌های اصلی محاسبات مدرن هستند. آنها اجزای حیاتی همه سیستم‌های الکترونیکی، از گوشی‌‌‌های هوشمند گرفته تا خودروها هستند. اما هزینه زیست محیطی تولید آنها به طور فزاینده‌‌‌ای مشکل‌‌‌ساز می‌شود. با پیچیده‌‌‌تر شدن طراحی تراشه‌‌‌ها، تقاضا برای انرژی در حال افزایش است و تولید تراشه‌‌‌های پیشرفته ۳ نانومتری (N۳) سالانه تا ۷.۷ میلیارد کیلووات ساعت انرژی مصرف می‌کند.
به طور متناقضی، نیمه‌هادی‌‌‌ها انتقال به سمت اقتصاد سبز را نیز تسهیل می‌کنند. تلاش‌‌‌های کربن‌‌‌زدایی، استفاده از انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر و وسایل نقلیه الکتریکی را در سراسر جهان و تقاضا برای تراشه‌‌‌ها را افزایش می‌دهد. انتظار می‌رود تعداد نیمه‌هادی‌‌‌های مورد استفاده در بازار جهانی انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر با نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) ۸ تا ۱۰درصد از هم‌اکنون تا سال ۲۰۲۷ افزایش یابد.
اجزای حیاتی گذار سبز
در حالی که فرآیند تولید آنها می‌تواند بر محیطزیست تاثیر منفی بگذارد، نیمه هادی‌‌‌ها نقش اساسی در توسعه فناوری‌‌‌های سبز دارند. آنها انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر را به عنوان الکتریسیته مهار، تبدیل، انتقال و ذخیره می‌کنند و متعاقبا آن را با حداقل اتلاف نیرو به شبکه برق منتقل می‌کنند. نیمه هادی‌‌‌ها همچنین استفاده کارآمد از الکتریسیته را از طریق فناوری IoT امکان‌‌‌پذیر و اطمینان حاصل می‌کنند که عرضه با تقاضا مطابقت دارد و جریان به خوبی توزیع شده است. هم سیستم‌های پنل خورشیدی و هم توربین‌‌‌های بادی به شدت به فناوری نیمه هادی وابسته هستند.
همچنین نیمه هادی‌‌‌ها برای تولید وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) و ایستگاه‌‌‌های شارژ ضروری هستند. به طور متوسط، خودروهای الکتریکی حدود ۲هزار تراشه دارند که تقریبا دو برابر تعداد تراشه‌‌‌های یک خودروی غیر‌الکتریکی است. تراشه‌‌‌ها به عنوان سیستم عصبی مواد الکترونیکی، نوآوری در صنعت خودرو را هدایت می‌کنند. آنها به وسایل نقلیه اجازه می‌دهند تا با کنترل همه ویژگی‌‌‌ها از استراحت گرفته تا دوربین‌‌‌های پارک، هوشمندتر و ایمن‌‌‌تر شوند. خودروهای الکتریکی به بخش رشد قابل‌‌‌توجهی برای صنعت نیمه هادی تبدیل شده‌‌‌اند. در سال ۲۰۲۰، موجودی جهانی خودروهای الکتریکی به ۱۰ میلیون وسیله نقلیه رسید که ۴۳درصد نسبت به سال ۲۰۱۹ افزایش داشته است. افزایش تقاضای مصرف‌کنندگان برای خودروهای برقی تحت‌تاثیر عوامل متعددی از جمله مشوق‌‌‌های دولتی، سیاست‌‌‌های نظارتی و بهبود در طراحی نیمه هادی‌‌‌ها بوده است که باعث افزایش عمر باتری و کاهش هزینه خودروها شده است.
هزینه‌‌‌های تولید برق تجدیدپذیر نیز طی دهه گذشته به میزان قابل‌‌‌توجهی کاهش یافته است. گزارش آژانس بین‌المللی انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر نشان می‌دهد که ۶۲درصد از کل تولید برق تجدیدپذیر اضافه شده در سال ۲۰۲۰ هزینه کمتری نسبت به ارزان‌‌‌ترین گزینه جدید سوخت فسیلی دارد. چنین دستاوردی تا حدی به دلیل بهبود مستمر فناوری‌‌‌های صرفه‌‌‌جویی در انرژی است که توسط دستگاه‌‌‌های نیمه‌‌‌رسانا تقویت شده‌‌‌اند.
تولید تشنه منابع
باوجود نقش اساسی در توسعه اقتصاد انرژی پاک، تولید نیمه هادی ها هزینه زیست محیطی قابل‌‌‌توجهی دارد. صنعت نیمه هادی‌‌‌ها دارای منابع فشرده‌‌‌ای است و از انرژی و آب فراوان برای تولید تراشه‌‌‌های خود استفاده می‌کند. بخش قابل‌‌‌توجهی از انرژی مورد استفاده، از سوخت‌‌‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ و گاز تامین می‌شود. یک مقاله تحقیقاتی در سال ۲۰۲۰ بر اساس گزارش‌‌‌های پایداری شرکتی در دسترس عموم تلاش کرد تا ردپای کربن سیستم‌های کامپیوتری را اندازه‌‌‌گیری کند. این محققان به این نتیجه رسیدند که تولید تراشه در حال حاضر بیشتر کربن تولید شده هنگام ساخت دستگاه‌‌‌های الکترونیکی را تشکیل می‌دهد. داده‌‌‌های بلومبرگ نشان می‌دهد که آلودگی تولیدکنندگان تراشه در نتیجه مصرف انرژی چشمگیر آنها از خودروسازان پیشی گرفته است.
کاهش انتشار گازهای گلخانهای از طریق استفاده از انرژی پاک و پروژه‌‌‌های حفظ انرژی برای پایدارتر کردن صنعت ضروری است. ۹۰درصد از ظرفیت تولید پیشرفته‌‌‌ترین نیمه هادی‌‌‌های جهان در تایوان واقع شده است. بزرگ‌ترین تولید‌‌‌کننده تراشه جهان یا شرکت تولید نیمه هادی تایوان (TSMC) از ۶درصد کل انرژی جزیره استفاده می‌کند. این رقم در سال ۲۰۲۲ از ۷درصد فراتر رفته و TSMC تایوان را به بزرگ‌ترین مصرف‌کننده انرژی تبدیل کرد. این شرکت در سال ۲۰۲۰ حدود ۱۵ میلیون تن کربن تولید کرد و رقبای صنعتی سامسونگ و اینتل به ترتیب با ۱۳ و ۳ میلیون تن در رتبه‌‌‌های بعدی قرار گرفتند.
در طول تولید تراشه، از آب برای شست‌وشو و تمیز کردن ویفرهای سیلیکونی استفاده می‌شود و زباله‌‌‌ها را از فرآیند تولید پاک می‌کند. این عملیات به آب فوق خالص (UPW) نیاز دارد که هزاران بار خالص‌‌‌تر از آب آشامیدنی است. برای تولید هزار لیتر UPW تقریبا ۱۴۰۰ تا ۱۶۰۰ لیتر آب شهری لازم است. در سال ۲۰۲۰، TSMC بیش از ۱۹۳هزار تن آب در روز مصرف کرده است. این میزان تنها در یک سال به حدود ۷۰ میلیارد لیتر آب می‌‌‌رسد. به طور کلی، صنعت نیمه هادی تقریبا ۱۰درصد از آب تایوان را مصرف می‌کند. با تشدید لیتر آب‌‌‌و‌‌‌هوا، الگوهای آب‌‌‌و‌‌‌هوایی غیرعادی تایوان را در معرض محدودیت‌های شدید آب قرار می‌دهد و فشار محیطی شرکت‌های نیمه هادی را در جزیره تشدید می‌کند. بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۱، تایوان بدترین خشکسالی خود را در بیش از ۵۰ سال گذشته تجربه کرد.
دسترسی به آب یک عنصر کلیدی در تولید نیمه هادی در سطح جهان است. انتظار می‌رود خشکسالی‌‌‌ها افزایش یابد و کمبود آب تهدید بزرگی برای صنعت خواهد بود. با نرخ مصرف فعلی، WWF تخمین زده می شود که دو‌سوم جمعیت جهان ممکن است تا سال ۲۰۲۵ با کمبود آب مواجه شوند. حفظ و بازیافت آب برای جلوگیری از هرگونه وقفه در تولید ضروری شده است. در پاسخ، اینتل حدود ۸۰درصد از آب مصرفی خود را از طریق شیوه‌‌‌های مدیریت داخلی آب تصفیه کرده و برمی‌‌‌گرداند. در سال ۲۰۲۱، ۱۳میلیارد گالن آب از اینتل خارج شد و به جوامع اطراف برگشت. برای به حداقل رساندن بیشتر تاثیر آن بر محیطزیست، اینتل متعهد شد که آب شیرین بیشتری را نسبت به آنچه می‌‌‌خواهد بازیابی کند و بازگرداند. هدف این شرکت دستیابی به سهم مثبت خالص آب جهانی تا سال ۲۰۳۰ است. این هدف قبلا در ایالات متحده، کاستاریکا و هند محقق شده است، جایی که عملیات اینتل در حال حاضر به طور خالص برای استفاده از آب مثبت است.
با بیشتر شدن درخواست‌‌‌ها برای سرمایه‌گذاری اخلاقی، شرکت‌ها در مورد سهم آنها در تغییرات آب‌‌‌و‌‌‌هوایی تحت نظارت فزاینده‌‌‌ای قرار دارند. بنابراین، صنعت نیمه هادی در حال برداشتن گام‌‌‌های ملموس به سمت عملیات پایدارتر است. به عنوان مثال، در سال ۲۰۲۰ TSMC متعهد شد که تا پایان سال ۲۰۵۰ به طور کامل بر انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر تکیه کند. این شرکت در همان سال بزرگ‌ترین قرارداد انرژی شرکتی تجدیدپذیر جهان را امضا کرد و خروجی کامل یک مزرعه بادی دریایی ۹۲۰ مگاواتی را برای ساخت در تنگه تایوان خریداری کرد.
اخیرا، TSMC اعلام کرد که تا ۲درصد از درآمد سالانه آن به طرح‌‌‌های سبز به عنوان بخشی از سفر به سمت صفر خالص اختصاص می‌‌‌یابد. شرکت رقیب اینتل متعهد شد که تا سال ۲۰۴۰ به انتشار خالص گازهای گلخانهای در فعالیت‌‌‌های جهانی خود دست یابد. با این حال، به گفته مدیر ارشد پایداری اینتل، این شرکت باید به استفاده از مواد شیمیایی آلاینده بپردازد تا پیشرفت قابل‌‌‌توجهی در کاهش انتشار داشته باشد. پرفلوئوروکربن‌‌‌ها، گازهای گلخانهای قوی، منبع اصلی انتشار مستقیم اینتل در سال ۲۰۲۰ بودند. انتقال به مواد شیمیایی جایگزین و با سمیت کمتر فرآیندی طولانی خواهد بود، اما برای تولید تراشه‌‌‌ها به روشی مسوولانه‌‌‌تر از نظر زیست‌‌‌محیطی ضروری است.
مسابقه جهانی نیمه هادی‌‌‌ها
صنعت نیمه هادی به شدت توسط دولت‌‌‌های سراسر جهان یارانه می‌گیرد، همان دولت‌‌‌هایی که اخیرا تعهدات خود را نسبت به اقدامات آب‌‌‌و‌‌‌هوایی تقویت کرده‌‌‌اند. ایالات متحده اخیرا قانون CHIPS سال ۲۰۲۲ را تصویب کرد که از حمایت دو‌حزبی برخوردار شد. این قانون تاریخی ۵۳ میلیارد دلار برای حمایت از تولید تراشه و تقویت رقابت ایالات متحده اختصاص می‌دهد. در همین‌‌‌حال، اتحادیه اروپا بیش از ۴۳ میلیارد یورو سرمایه‌گذاری دولتی و خصوصی را برای رفع کمبودهای نیمه هادی و تقویت رهبری تکنولوژیک اروپا اختصاص خواهد داد. با وجود این، آسیا همچنان بازیگر مسلط در تولید نیمه هادی است.
ارزش صنعت نیمه هادی تایوان ۱۴۷ میلیارد دلار است که معادل ۱۵درصد تولید ناخالص داخلی این کشور است. تایوان مشوق‌‌‌هایی برای جذب استعدادهای خارجی و تامین‌‌‌کنندگان مواد و تجهیزات موردنیاز برای تولید تراشه ارائه می‌دهد. دولت این کشور همچنین شرکت‌های داخلی را تشویق می‌کند تا فناوری‌‌‌های حیاتی را برای حمایت از رشد صنعت نیمه‌‌‌رساناهای جزیره توسعه دهند.
به طور مشابه، چین به دنبال دستیابی به استقلال فناوری است زیرا بخش فناوری خود عمدتا به تراشه‌‌‌های خارجی متکی است. دولت چین استراتژی بومی‌‌‌سازی خود را در یارانه‌‌‌های بزرگ تولید و تحقیق و توسعه متمرکز کرده است. حاکمیت دیجیتال با هزینه‌‌‌های زیست محیطی و انرژی قابل‌‌‌توجهی همراه است. سیاست‌‌‌های صنعتی با هدف افزایش سهم تولید نیمه‌‌‌رساناهای داخلی، ممکن است حداقل در کوتاه‌‌‌مدت با دستور کار سبز سازگار نباشد.
برای بیش از یک دهه، شرکت‌های نیمه هادی تلاش کرده‌‌‌اند تا اثرات زیست محیطی عملیات تجاری خود را کاهش دهند. در حال حاضر پایداری به یک عامل مهم در صنعت تبدیل شده است. از آنجا که تقاضای جهانی برای نیمه هادی‌‌‌ها همچنان در حال افزایش است، کاهش ردپای کربن باید به یک اولویت کلیدی در میان تولیدکنندگانی تبدیل شود که در تلاش برای افزایش ظرفیت هستند. زنجیره تولید نیمه هادی‌‌‌ها به طور قابل‌‌‌توجهی پیچیده است و به صدها ورودی مختلف متکی است. بنابراین، کاهش انتشار گازهای گلخانهای در سراسر زنجیره ارزش نیاز به همکاری قابل‌‌‌توجهی دارد. یک رویکرد منسجم و مشارکتی باید شامل تلاش‌‌‌های کاربران نهایی و تنظیم‌‌‌کننده‌‌‌هایی باشد که باید از تغییر اساسی در صنعت حمایت کنند. برای رسیدن به این هدف، ممکن است بودجه دولتی را مشروط به توانایی پاسخگویی به تقاضای فزاینده به طور پایدار در نظر بگیریم.
