Betoniarki w tajwańskim Southern Taiwan Science Park pracują dzień i noc. Wylewają beton pod budowę najbardziej zaawansowanej fabryki chipów na świecie. To gigantyczne przedsięwzięcie odpowiada wielkim ambicjom Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), jednego z czołowych producentów półprzewodników. Inwestycja TSMC jest warta niebagatelne 20 mld dol. – to trzy razy więcej, niż koszt budowy tzw. gigafabryki Tesli pod Berlinem. Projekt ten będzie miał jednak swój duży ślad węglowy – o czym rzadko się mówi.

Technologia ma swój koszt

Popyt na półprzewodniki stale rośnie wraz z tym, jak nasze życie w coraz większym stopniu staje się cyfrowe. Chipy są kluczowym elementem rosnącej liczby urządzeń – od pralek automatycznych po maszyny związane z zaawansowaną sztuczną inteligencją.

Nie można jednak zapominać, że ogromna moc obliczeniowa ma swój koszt. Dolina Krzemowa często i dużo mówi o zrównoważonym rozwoju, ale samo wytwarzanie kluczowych dla tej branży chipów jest przedsięwzięciem niezwykle zasobochłonnym.

W październiku 2020 roku badacze pod kierownictwem Udit Gupta w swoim badaniu wykorzystali publicznie dostępne raporty na temat rozwoju zrównoważonego takich firm, jak TSMC, Intel czy Apple, aby pokazać, że wraz z upowszechnianiem się technologii informacyjnych zwiększa się również wpływ tych branż na środowisko.

Do 2030 roku technologie informacyjne i obliczeniowe w skali globu będą odpowiadać za 20 proc. zapotrzebowania na energię, z czego za większą część zapotrzebowania będzie odpowiadać produkcja sprzętu, a za mniejszą – funkcjonowanie systemów. „Wytwarzanie chipów, w przeciwieństwie do samego wykorzystywania sprzętu i zużycia energii, odpowiada za większość emisji CO2” – stwierdzili badacze.

I jak sugeruje tytuł ich artykułu - „W pogoni za węglem: nieuchwytny ślad węglowy technologii informacyjnych” – to mało znany fakt, który stawia rządy dążące do przyciągnięcia zaawansowanej produkcji chipów w dość niekomfortowej pozycji.

Zagrożone cele klimatyczne

Prezydent Joe Biden, chcąc zbudować bardzo zaawansowane zakłady produkcyjne chipów ryzykuje, że USA nie wypełnią zakładanych celów klimatycznych. To samo dotyczy Unii Europejskiej, która chce mieć na swoim terytorium fabrykę mikroprocesorów, co stawia osiągnięcie neutralności klimatycznej do 2050 roku pod znakiem zapytania.

Firmy produkujące półprzewodniki dostrzegają problem śladu węglowego, ale podkreślają swoje działania mające na celu zmniejszenie emisji CO2.

Istnieje tu pewien paradoks. Otóż branża ta wychwala postęp technologiczny, który sprawił, że chipy stały się o wiele potężniejsze i podniosły swoją wydajność. To z kolei zmniejszyło zużycie energii dzięki wykorzystywaniu takich urządzeń. Niemniej sama produkcja, gdzie w jednym chipie umieszcza się miliardy tranzystorów, wymaga coraz większych zasobów energii.

Aby krzemowy dysk mógł stać się gotowym chipem, potrzeba od trzech do czterech miesięcy energochłonnej, intensywnej pracy. Krzemowe płytki wędrują przez kolejne maszyny, które nakładają na nie mikroskopijne warstwy różnych materiałów, wypalają określone wzory i zdrapują niepotrzebne elementy. Wszystko to dzieje się w ramach w pełni zautomatyzowanego procesu, w którym kluczowym elementem staje się płukanie powstających chipów w ultraczystej wodzie. Każda nowa generacja chipów wymaga jeszcze większej ilości energii, wody i produkcji gazów cieplarnianych.

Skutek jest taki, że dziś niektórzy najbardziej zaawansowani wytwórcy chipów zostawiają większy ślad węglowy niż niektóre tradycyjne przemysły, które już dawno zostały uznane za brudne. Na przykład w 2019 roku fabryki firmy Intel, jak wynika z danych, zużyły ponad trzy razy więcej wody niż zakłady Forda oraz wytworzyły ponad dwa razy więcej niebezpiecznych odpadów.

Emisje gazów cieplarnianych przez trzy firmy: Intel, TSMC oraz General Motors w tonach / Bloomberg

„Generalny trend jest taki, że wraz ze wzrostem stopnia zaawansowania chipów rośnie zużycie energii i wody” – komentuje Marie Garcia Bardon z centrum nanotechnologii Mec w Belgii, badaczka zajmująca się określaniem śladu węglowego przemysłu zaawansowanych technologii.

Dylemat środowiskowy

Tajwan ze swoimi ograniczonymi zasobami znalazł się w samym środku dylematu, przed którym stoi przemysł i rząd. TSMC jest głównym graczem gospodarczym Tajwanu oraz kluczową firmą, która może pomóc w przezwyciężeniu globalnego niedoboru chipów. Zatem strategiczne znaczenie Wyspy jest bardzo duże, co ma znaczenie w kontekście chińskich roszczeń wobec niezależności Tajwanu. W tym samym czasie pojawiają się już oznaki obciążenia środowiska, co każe zadać pytania o podatność Wyspy na zmiany klimatyczne oraz o kształt globalnego łańcucha dostaw półprzewodników.

Otóż na początku roku fabryki chipów na Tajwanie były zmuszone sprowadzić cysterny z wodą, ponieważ Wsypa doświadczyła suszy ze względu na brak opadów monsunowych. Zużycie wody przez TSMC w ciągu ostatniej dekady wzrosło pięciokrotnie i w 2019 roku osiągnęło objętość równą objętości 79 tys. pełnych basenów olimpijskich.

Zużycie energii również dramatycznie wzrosło: zakłady TSMC odpowiadają rocznie za 4,8 proc. całkowitego zużycia prądu przez Tajwan. To więcej, niż zużywa Tajpei, stolica Wyspy – ocenia Greenpeace. Organizacja szacuje, że udział ten wzrośnie jeszcze bardziej do poziomu 7,2 proc., gdy ruszy produkcja w budowanym obiekcie, a fabryka zacznie produkować półprzewodniki nowej generacji w procesie technologicznym 3 nm.

„Jeśli chodzi o przyszłość gospodarczą Tajwanu, to największym wyzwaniem przemysłu elektronicznego jest to, czy jest on w stanie unieść ciężar emisji CO2 i zużycia energii” – ocenili w 2019 roku badacze pod kierownictwem Kuei-tien Chou z National Taiwan University.

TSMC jest kluczowym dostawcą części dla Apple. Z kolei amerykańska firma zobowiązała się, że do 2030 roku stanie się neutralna węglowo, co będzie oznaczało duże zmiany w całym łańcuchu dostaw. TSMC obiecał, że do 2050 roku energia, z której korzysta, w 100 proc. będzie pochodziła ze źródeł odnawialnych. Tajwańska firma w lipcu ubiegłego roku podpisała umowę na budowę morskiej farmy wiatrowej o mocy 920 MW w Cieśninie Tajwańskiej. Obiekt ma być zbudowany przez duńską firmę Orsted.

„TSMC dalej będzie rozwijać bardziej zaawansowane i wydajne technologie, które pozwolą zmniejszyć zużycie energii i zasobów oraz zanieczyszczenie w trakcie procesu produkcyjnego” – napisała firma w oświadczeniu. Dodatkowo Przedsiębiorstwo zobowiązało się do zwiększenia wykorzystania energii z odnawialnych źródeł oraz do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych.

Pojawienie się kwestii środowiskowych zmusza producentów chipów do odpowiedzi na takie zapotrzebowanie – ocenia Kyle Harrison, analityk z agencji Bloomberg. Dla wielu z tych firm zaniechanie zajmowania się środowiskiem i dekarbonizacją może oznaczać ryzyko utraty istotnych źródeł dochodu – dodaje.

Dlatego cała branża zaawansowanych technologii chętnie chwali się tym, jak ciężko pracuje na rzecz zmniejszenia emisji CO2.

Samsung Electronics, który obok Intela jest jedynym konkurentem dla TSMC w obszarze zaawansowanej produkcji chipów, ogłosił, że w USA, Europie i w Chinach w 100 proc. przeszedł na odnawialne źródła energii. Firma cały czas pracuje nad poprawą efektywności energetycznej i zmniejszaniu ilości szkodliwych substancji – relacjonował w marcu jej CEP Kinam Kim.

Z kolei amerykański Intel, który jest największym producentem chipów na świecie, pochwalił się, że już dziś należy do trójki największych konsumentów energii odnawialnej w USA. Intel oczyszcza 80 proc. wody, którą zużywa, a docelowo firma chce podnieść ten wskaźnik do 100 proc.

Fabryk chipów będzie coraz więcej

Jednak pomimo tych wysiłków ogólnoświatowy wpływ producentów chipów na środowisko będzie rósł. Wynika to z tego, że chipy stały się narzędziem rywalizacji geopolitycznej, dlatego różne kraje świata nastawiają się na budowę nowych fabryk półprzewodników, aby zapewnić sobie niezależność.

Tajwański TSMC przyznał 1 kwietnia, że w ciągu trzech lat przeznaczy 100 mld dol. na zwiększenie mocy produkcyjnych, zaś Samsung wyda 116 mld dol. w ciągu dekady na nowe odlewnie. Intel planuje budowę dwóch nowych fabryk za 20 mld dol. w Arizonie. Chiny również pompują miliardy dolarów, próbując dogonić konkurencję, ale w przypadku Państwa Środka wielu producentów chipów nie raportuje wysokości emisji CO2.

Zarówno przemysł, jak i różne rządy na świecie podkreślają, że półprzewodniki są kluczowe dla zmniejszenia emisji CO2 poprzez innowacje, takie jak efektywne sieci energetyczne czy pojazdy na prąd. Technologie cyfrowe mogą pomóc zmniejszyć globalne emisje dwutlenku węgla o 15 proc., co przewyższa ilość CO2, jaką emitują producenci chipów – ocenił rzecznik prasowy Komisji Europejskiej.

Administracja Joe Bidena chce, aby w USA nowe fabryki chipów powstawały tam, gdzie istnieje możliwość pozyskiwania czystej energii ze słońca czy z wiatru.

Wciąż jednak pomimo podejmowanych wysiłków głównym graczom z tej branży nie będzie łatwo oczyścić całego łańcucha produkcyjnego.