La domanda globale di chip di silicio, incorporati in tutto, dagli smartphone ai televisori alle turbine eoliche, è in piena espansione, ma ha un costo enorme: le emissioni di carbonio.
L'industria presenta un paradosso. Il raggiungimento degli obiettivi climatici globali dipenderà in parte dai semiconduttori. Sono parte integrante delle auto elettriche, dei pannelli solari e delle turbine eoliche. Ma anche la produzione di chip sta contribuendo alla crisi climatica. Richiede molta energia e acqua - le fabbriche di chip o le fabbriche possono usare milioni di litri d'acqua al giorno - e produce rifiuti pericolosi.
Mentre l'industria dei semiconduttori si trova sotto crescente controllo, sta iniziando ad affrontare il suo impatto sul clima. La scorsa settimana, TSMC, il più grande produttore di chip al mondo, che fornisce chip ad Apple, si è impegnato a raggiungere zero emissioni nette entro il 2050. Il presidente di TSMC ha affermato che la società mirava a "espandere la nostra presenza verde e guidare l'industria verso uno sviluppo sostenibile a basse emissioni di carbonio".
Ma decarbonizzare il settore sarà una grande sfida.
TSMC da solo utilizza quasi il 5% dell'elettricità totale di Taiwan, che dovrebbe salire al 7,2% nel 2022, utilizzando circa 63 milioni di tonnellate di acqua nel 2019, secondo Greenpeace. L'uso dell'acqua da parte dell'azienda è diventato un argomento controverso durante la siccità di Taiwan quest'anno.
Negli Stati Uniti, l'impianto di 700 acri di Intel a Ocotillo, in Arizona, ha generato quasi 15.000 tonnellate di rifiuti nei primi tre mesi di quest'anno, circa il 60% dei quali era pericoloso. Consuma anche 927 milioni di galloni di acqua dolce, abbastanza per riempire circa 1.400 piscine olimpioniche, e consuma 561 milioni di kilowattora di energia.
La produzione di chip, piuttosto che il consumo di energia o l'uso di hardware, "rappresenta la maggior parte delle emissioni di carbonio dai dispositivi elettronici", ha scritto il ricercatore dell'Università di Harvard Udit Gupta e co-autori in un documento del 2020.
Una carenza globale di chip di fascia alta con l'aumento della domanda di elettronica da parte della pandemia e la chiusura dell'epidemia di COVID-19 negli impianti ha aumentato l'attenzione sul settore.
In un mercato ristretto, le case automobilistiche si sono trovate in fondo alla coda dei chip, molto indietro rispetto ai più grandi clienti di semiconduttori come Apple, che utilizzano chip per fornire potenza di calcolo per smartphone, laptop e altri dispositivi. Gm ha interrotto la produzione in molti dei suoi stabilimenti nordamericani questo mese, mentre Toyota ha dichiarato che taglierà la produzione di veicoli del 40% a settembre.
Per aumentare la produzione, molti paesi stanno lanciando grandi programmi per rilanciare l'industria.
Lo U.S. Chip Act propone 52 miliardi di dollari in cinque anni per l'industria dei semiconduttori statunitense. L'Unione europea ha presentato una propria legislazione volta ad aumentare la propria quota del mercato globale dei chip al 20% entro il 2030. La presidente della Commissione europea Ursula von der Leyen l'ha definita una "questione di sovranità tecnologica" nel suo discorso sullo stato dell'Unione.
Queste ambizioni sono potenzialmente in conflitto con gli obiettivi climatici internazionali. L'Unione europea e gli Stati Uniti mirano a raggiungere zero emissioni nette di carbonio entro il 2030 e zero emissioni nette entro il 2050. Con la crescita dell'industria dei semiconduttori, cresceranno anche le sue emissioni di carbonio.
Tuttavia, sotto la pressione di investitori e produttori di elettronica desiderosi di segnalare catene di approvvigionamento più ecologiche ai clienti, il business dei semiconduttori ha intensificato le sue azioni per affrontare il suo impatto sul clima.
"Recentemente, ho iniziato a vedere il nostro impatto sull'ambiente venire completamente alla ribalta", ha dichiarato Sohini Dasgupta, Principal design engineer di On Semiconductor.
I gestori di fondi stanno promuovendo sempre più "fondi verdi" mentre gli investitori pongono più domande sull'impatto ambientale, sociale e di governance (ESG) delle società, afferma Mark Li, analista di semiconduttori presso Bernstein, una società di investimento. "Negli ultimi tre anni, gli investimenti ESG sono diventati molto più vocali", afferma, aggiungendo che questo alla fine cambierà il modo in cui l'azienda si comporta.
La maggiore disponibilità di energia rinnovabile sta aiutando i produttori di chip a ridurre le emissioni di carbonio. Intel si è impegnata a ottenere il 100% della sua energia da fonti rinnovabili entro il 2030, così come TSMC, ma con una scadenza del 2050.
Il consumo di energia rappresenta il 62% delle emissioni di TSMC, secondo la portavoce di TSMC Nina Kao. L'azienda l'anno scorso ha firmato un accordo con Danish Energy? Rsted ha firmato un accordo di 20 anni da? Rsted acquista tutta l'energia per il parco eolico offshore da 920 megawatt che sta costruendo nello Stretto di Taiwan.
L'accordo, descritto come il più grande accordo di acquisto di energia rinnovabile aziendale al mondo, è positivo per TSMC, ha affermato Shashi Barla, analista di energia rinnovabile presso la società di consulenza energetica Wood Mackenzie. Oltre a garantire elettricità pulita, paga i costi all'ingrosso e si sbarazza degli shock dei prezzi, "uccidendo due piccioni con una fava", dice.
Clifton Fonstad, professore di ingegneria elettrica e informatica presso il Massachusetts Institute of Technology, ha affermato che la mossa di TSMC ha il potenziale per influenzare il settore e che "altri produttori potrebbero seguire l'esempio".
Peter Hanbury, esperto nella produzione di semiconduttori presso Bain & Company, la società di consulenza manageriale, ha affermato che i produttori di chip potrebbero migliorare l'efficienza dei loro impianti oltre a passare alle energie rinnovabili. Un impianto di chip è fondamentalmente "un enorme magazzino con camere bianche all'interno" e "la parte più semplice per ridurre le emissioni è la struttura stessa", ha detto.
Le fabbriche possono regolare la temperatura dell'aria e dell'acqua, l'umidità e la pressione in modo più efficiente. Possono segmentare il magazzino in modo che una linea abbia alta pressione e l'altra linea abbia bassa pressione, utilizzando meno energia rispetto a mantenere l'intero magazzino ad alta pressione.
Possono acquisire più dati e utilizzare l'apprendimento automatico per disattivare gli strumenti quando non sono in uso, afferma Huili Grace Xing, professore di ingegneria presso la Cornell Che lavora su materiali semiconduttori.
Ci sono anche innovazioni volte ad affrontare i materiali più sporchi utilizzati nella produzione di semiconduttori. L'industria dei chip utilizza diversi gas nel suo processo di produzione, molti dei quali hanno un impatto significativo sul clima.
TSMC ha dichiarato di aver installato scrubber e altre strutture per gestire le emissioni. Ma un altro approccio è quello di sostituire i gas più puliti "sporchi" utilizzati per pulire gli strumenti di precisione utilizzati nella produzione di semiconduttori, afferma Michael Pitloff, un ingegnere chimico di Solvay Specialty Chemicals che lavora sui gas semiconduttori.
Nei test industriali con circa una mezza dozzina di clienti chipmaker negli ultimi sei anni, pitloff ha detto, lui e il suo team hanno sostituito il gas più sporco con fluoro "più pulito", che ha un minore impatto sul riscaldamento globale.
Altre aziende mirano a incidere modelli su wafer e pulire la superficie dei wafer di gas - il materiale a foglio sottile utilizzato per produrre semiconduttori. Ad esempio, Air Liquide, una società di gas industriali con sede a Parigi, ha proposto una gamma di gas di incisione alternativi che hanno un impatto minore sul riscaldamento globale.
Ma sostituire il gas sarà una sfida: una volta che le fabbriche sono in funzione, tutto ciò che tocca i wafer di silicio, come il gas di incisione, è difficile da cambiare, ha detto Hanbury. Questo processo richiede una grande precisione. I fab devono posizionare fino a 100 milioni di transistor su wafer delle dimensioni di un timbro e devono farlo perfettamente. Ci vogliono da quattro a cinque anni perché una favola sviluppi una formula, ha detto Hanbury, e "una volta impostata, fondamentalmente non vuoi cambiarla".
Alcuni esperti ritengono che i produttori di chip inizieranno a modificare i loro processi per introdurre gas più rispettosi dell'ambiente, soprattutto se le grandi aziende agiranno". "Se TSMC cambia, sono sicuro che altri lo faranno", ha detto Fonstad. Se TSMC non lo fa, altri produttori potrebbero girarsi e dimostrare di essere migliori di TSMC. "
Ad alcuni osservatori dell'industria dei chip, la determinazione a ripulirlo sembra reale. Li ha detto che l'attuale enorme domanda di chip aiuterà solo l'industria dei semiconduttori a raggiungere i suoi obiettivi di sviluppo sostenibile.
Hanno margini elevati e fanno un sacco di soldi. Quindi, anche se tutte queste misure di carbonio verde hanno un costo, possono permetterselo. E sempre più clienti sono disposti a pagare di più per attrezzature più ecologiche ", ha affermato.