Zamlčovaný problém čipů

Polovodiče se staly nezbytnou součástí každodenního života a také jedním z největších znečišťovatelů. Očekává se, že informační a výpočetní technologie budou do roku 2030 představovat až pětinu celosvětové poptávky po energii a tomu odpovídá i jejich uhlíková stopa, nehledě na spotřebu vody a produkci nebezpečného odpadu. Snaha o očistu tohoto průmyslu přitom naráží nejen na technologické bariéry, ale i ty politické.

Ve dne i v noci vozí kamiony beton na stavbu nejpokročilejší továrny na čipy na světě. Jedná se o obrovský podnik srovnatelný s ambicemi společnosti Taiwan Semiconductor Manufacturing, světového výrobce čipů. Odhadovaná cena tohoto zařízení TSMC za 20 miliard dolarů je přibližně třikrát vyšší než Muskovy gigafactory u Berlína. A její uhlíková stopa tomu odpovídá.

Poptávka po polovodičích roste s čím dál větší digitalizací každodenního života. Právě čipy jsou klíčovou součástí aplikací od praček až po umělou inteligenci. Ale výpočetní výkon má také svou cenu. Silicon Valley často mluví o udržitelnosti, ale realita je taková, že právě výroba čipů je velmi náročná na zdroje.

Pětina celosvětové poptávky po energii

V článku z října 2020 vědci pod vedením Udita Gupty z Harvardské univerzity použili veřejně dostupné zprávy o udržitelnosti společností, jako jsou TSMC, Intel a Apple, aby ukázali, že s rostoucím všudypřítomností výpočetní techniky „se zvyšuje i její dopad na životní prostředí.“

Očekává se, že informační a výpočetní technologie budou do roku 2030 představovat až 20 % celosvětové poptávky po energii, přičemž hardware je odpovědný za větší množství stopy než provoz systému, zjistili vědci. „Výroba čipů, na rozdíl od použití hardwaru a spotřeby energie, představuje většinu produkce uhlíku,“ uzavírají vědci.

To je málo známý a hlavně pro vlády, které výrobu špičkových čipů prosazují, nepohodlný fakt. Snaha prezidenta Joe Bidena zřídit špičkové výrobní závody v USA by mohla kolidovat s jeho programem ochrany klimatu a plány Evropské unie na výrobu čipů by mohly ohrozit její závazek stát se prvním klimaticky neutrálním kontinentem do roku 2050.

Je to paradox. Polovodičové společnosti na jednu stranu obecně uznávají, že mají problém s uhlíkovou stopou, ačkoli zdůrazňují opatření, která přijímají ke snížení svých emisí. Toto odvětví na druhou stranu podporuje technologický pokrok, díky kterému se čipy staly neuvěřitelně výkonnými při provozu a mají tak mnohem vyšší účinnost, čímž snižují spotřebu energie během jejich životnosti.

Podařilo se vměstnat miliardy tranzistorů na jeden čip, ale jejich výroba je o to komplikovanější. Trvá tři až čtyři měsíce, než disk křemíku projde několika fázemi potřebnými k jejich zpracování na hotový výrobek. Wafer (substrátový disk) prochází řadami strojů, které na něj v plně automatizovaných postupech vrství mikroskopické materiály, vypalují vzorce a seškrabávají nepotřebné části. Klíčovým prvkem je oplach velkým množstvím ultra čisté vody. A s každou novou generací je zapotřebí více elektřiny, vody i skleníkových plynů.

Výsledkem je, že tito nejpokročilejší výrobci čipů mají nyní větší uhlíkovou stopu než některá tradičně více znečišťující odvětví. Například v roce 2019 zveřejněných zpráv spotřeboval Intel více než třikrát více vody než závody Ford Motor a vytvořil více než dvakrát tolik nebezpečného odpadu.

„Obecným trendem je, že spotřeba energie roste a spotřeby vody spolu s ní, jak jsou všechny čipy čím dál složitější,“ uvedla Marie Garcia Bardon, vedoucí výzkumnice v nanotechnologickém centru Imec v Belgii, která pracuje na odhadech uhlíkové stopy tohoto průmyslového odvětví.

Menší zlo

Tchaj-wan si se svými omezenými zdroji musí vybrat menší zlo jak pro průmysl, tak pro vládu. TSMC je hlavním hnacím motorem ekonomiky a klíčovým hráčem v úsilí překonat globální nedostatek čipů. Ty se stávají strategickým aktivem, když se Tchaj-wan snaží držet Čínu, podle níž tato skupina ostrovů spadá pod její území, na uzdě. Jenže znaky ekologické zátěže zároveň vyvolávají otázky ohledně zranitelnosti Tchaj-wanu vůči změně klimatu a také o celosvětovém polovodičovém dodavatelském řetězci.

Továrny na čipy na Tchaj-wanu začátkem letošního roku povolaly nákladní vozy, aby si zajistily dodávky vody během sucha způsobeného absencí monzunových dešťů. Spotřeba vody TSMC se za poslední desetiletí zvýšila téměř pětinásobně a v roce 2019 odpovídala ekvivalentu 79 000 plných olympijských bazénů.

A spotřeba energie je ještě dramatičtější. Roční spotřebu elektřiny TSMC odhaduje Greenpeace na 4,8 % z spotřeby celého Tchaj-wanu a tedy více než jeho hlavního města Tchaj-pej. A podle Greenpeace ještě vzroste na 7,2 %, jakmile najede komerční produkce, které dále sníží velikost ze současných 5 nanometrů na třínanometrové čipy.

„Pro budoucnost ekonomického rozvoje Tchaj-wanu je největší výzvou, které elektronický průmysl čelí, to, zda unese váhu svých emisí uhlíku a spotřeby elektřiny,“ napsali vědci pod vedením Kuei-tien Chou z národní tchajwanské univerzity v říjnu 2019.

ESG a zelené závazky

TSMC je klíčovým dodavatelem pro Apple a právě závazek tohoto výrobce iPhonů stát se do roku 2030 uhlíkově neutrálním si vynucuje velké změny v celém dodavatelském řetězci. TSMC se zavázala, že do roku 2050 bude využívat 100% obnovitelnou energii, a v červenci loňského roku podepsala dohodu o koupi plného výkonu mořských větrných farem o 920 MW, kterou má v tchajwanské úžině postavit dánská společnost Orsted.

„TSMC pokračuje ve vývoji pokročilejších a efektivnějších technologií ke snížení spotřeby energie / zdrojů a znečištění na jednotku během výrobního procesu,“ uvedla společnost ve svém prohlášení a dodala, že bude i nadále zvyšovat využití obnovitelných energií a snižovat emise skleníkových plynů.

Kyle Harrison, analytik společnosti BloombergNEF, uvedl, že nástup ESG politiky nutí výrobce čipů reagovat. U mnoha z nich „existuje riziko, že by mohli přijít o významné zdroje příjmů, pokud nezačnou brát zprávy o ESG a dekarbonizaci vážněji,“ řekl.

A skutečně, toto odvětví rádo předvádí, jak tvrdě na řešení svých emisí pracuje. Samsung Electronics, která je se společností Intel jediným konkurentem společnosti TSMC v oblasti výroby špičkových čipů, uvedla ve svém prohlášení, že je u všech operací v USA, Evropě a Číně 100% obnovitelná a do svých jihokorejských areálů v Pyeongtaek a Hwaseong přidává solární pole a geotermální energii. Zlepšuje energetickou účinnost a snižuje používání škodlivých látek, uvedl v březnu generální ředitel Kinam Kim.

SK Hynix, rovněž z Jižní Koreje, letos vydala zelené dluhopisy v hodnotě 1 miliardy USD.

Intel, největší výrobce čipů na světě, uvedl, že patří mezi tři největší uživatele obnovitelné energie v USA a že výrobci čipů dobrovolně snižují emise uhlíku po dobu více než 20 let. Intel také upravuje a vrací přibližně 80 % vody, kterou používá, a má za cíl toto číslo zvýšit na 100 %.

Novodobí pěšáci

Rizikem však je, že celkový dopad na životní prostředí stále roste, protože se z čipů stávají geopolitičtí pěšáci v potyčkách mezi USA a Čínou a země tak spěchají s výstavbou pokročilejších továren, aby zvýšily svou soběstačnost.

TSMC 1. dubna uvedla, že plánuje v příštích třech letech utratit 100 miliard dolarů na rozšíření své výrobní kapacity. Samsung chce na výrobu čipů v průběhu deseti let utratit 116 miliard dolarů. Intel plánuje v Arizoně postavit další dvě továrny za 20 miliard dolarů. A Čína pumpuje miliardy, aby se je pokusila dohnat.

Jak firmy, tak vlády zdůrazňují, že polovodiče jsou klíčem ke snižování emisí prostřednictvím inovací, jako jsou účinné energetické sítě a elektromobily. Digitální technologie mohou pomoci snížit globální emise o 15 % „a převáží emise způsobené odvětvím,“ uvedl mluvčí Evropské komise.

Vysoký úředník Bidenovy administrativy uvedl, že USA chtějí, aby byla vybudována nová zařízení na čipy, kde energie, kterou konzumují, bude pocházet z čistých zdrojů, jako je solární energie nebo vítr. Prezident vyslovil svůj závazek řešit klimatickou krizi jasně, uvedl úředník a odkázal na inovace za 35 miliard dolarů, které mají pomoci udělat z USA světového lídra v technologiích z čisté energie.

Nesnadný úkol

Ani pro velké hráče v oboru ale není snadné vyčistit výrobu čipů v celém řetězci. Společnost ASML Holding, která má v podstatě monopol na litografické stroje potřebné k leptání nejpokročilejších čipů, řeší své přímé emise využíváním obnovitelné energie ve svých závodech, recyklací dílů a technologickým pokrokem, který zvyšuje účinnost.

ASML přesto předpokládá, že jeho celková uhlíková stopa do roku 2025 poroste, protože většinu jeho emisí tvoří používání jeho produktů zákazníky. V upřímném hodnocení ve své výroční zprávě za rok 2020 uvedl, že splnění cílů úspory energie u jeho nejnovějších strojů závisí na překonávání „strategických technických výzev“, které „je obzvláště těžké vyřešit“.

Gary Dickerson, výkonný ředitel kalifornské společnosti Applied Materials, největšího výrobce čipových zařízení na světě, uvedl, že odpovědnost leží na vedoucích představitelích tohoto odvětví, aby zajistili udržitelnost pokroku, který polovodiče umožňují.

Zdroj: Bloomberg, YouTube