出品｜虎嗅ESG組

作者｜胡巍

頭圖｜AI生成

本文是#ESG進步觀察#系列第130篇文章

本次觀察關鍵詞：能源，碳排放

“人工智能數據中心的能源成本迅速上升，占據了全球頭條新聞，然而硬件生命周期中其他環節對環境造成的影響卻鮮少被提及。人工智能硬件的制造過程是能源密集型的，并且具有很深的環境足跡?！盌igiconomist創始人、綠色和平組織所發報告《芯片制造的關鍵節點：追蹤芯片制造中的電力消耗與碳排放》（下稱報告）作者之一的Alex de Vries說。

這份報告指出，2023年至2024年期間，全球人工智能（AI）芯片制造的用電量增長了350%以上；研究發現，在全球人工智能半導體生產中心東亞，人工智能芯片制造日益增長的電力需求主要由化石燃料滿足。

Alex de Vries介紹：“值得指出的是，芯片制造集中在東亞，那里的電網仍然嚴重依賴化石燃料，芯片制造商卻很少采取措施來采購可再生能源。人工智能硬件需求的不斷升級，考慮與人工智能硬件制造相關的排放增加顯得至關重要?！?/p>

隨著人工智能硬件需求呈指數級增長，芯片制造業的綠色轉型已不僅是企業社會責任問題，更是關乎全球氣候目標能否實現的關鍵戰役。

數字背后的環境代價

半導體制造業的能源消耗規模已達到令人震驚的程度。有統計指出，臺積電作為全球最大的芯片代工廠，其2021年用電量已達191.9億度，占中國臺灣地區總售電量的7.2%，超過了擁有270多萬人口的臺北市全年用電量。

更令人擔憂的是，這一數字還在以驚人的速度增長——臺積電2020年用電量還為160億度，僅一年后就增長了20%。德勤曾預測，到2025年，僅臺積電一家公司就將占中國臺灣整體能源消耗的12.5%，而到2028年這一比例可能達到15%。

這種增長趨勢并非臺積電獨有，韓國三星電子預計到2030年在韓國的電力消耗將達到109TWh，比2021年增長164%，每年的排放量將超過3200萬噸二氧化碳當量，這一數字甚至超過了丹麥2021年的總排放量。

芯片制造的能源密集型本質，源于其復雜的生產工藝。從熔化硅開始，到使用大功率激光進行光刻，再到創造和維護真空狀態，以及持續清潔工作，每一個環節都需要大量的電力支持。

據統計，半導體制造廠每小時的耗電量高達100兆瓦時，相當于8萬多戶北美家庭的用電量。特別是極紫外（EUV）光刻技術，作為7納米及以下先進制程的核心設備，其耗電量尤為驚人——2020年，臺積電EUV光刻機用電量就達100億度，占到臺積電總用電量的大半。隨著制程技術向3納米、2納米甚至更小節點推進，這一數字還將持續攀升。

人工智能芯片的爆炸性需求進一步加劇了這一趨勢。綠色和平組織的報告顯示，2023年至2024年期間，全球AI芯片制造的用電量增長了350%以上。到2030年，全球人工智能芯片制造的電力需求估計將比2023年增長170倍，超過愛爾蘭目前的用電量。

全生命周期視角揭示了芯片產業影響氣候的完整圖景。從硅料提純、晶圓制造、芯片封裝到數據中心運行和最終電子廢棄物處理，每個環節都貢獻了可觀的碳排放。

半導體產業制造階段的碳排放主要來自兩個方面，即直接的工藝排放和間接的電力消耗排放。

在工藝排放方面，半導體制造中使用的特種氣體具有極強的溫室效應。據英特爾披露的數據，全氟化碳等氣體占其2020年直接溫室氣體排放（范圍1）的近一半，相當于197萬噸二氧化碳。這些氣體的全球變暖潛能值（GWP）是二氧化碳的6500-9200倍，雖然排放量不大，但氣候影響卻極為顯著。

電力相關的間接排放（范圍2）規模更為龐大。由于東亞芯片制造中心的電網碳強度較高，每度電產生的碳排放遠高于全球平均水平。以臺積電為例，盡管其生產能效不斷提升，但2021年仍產生了約1500萬噸二氧化碳當量的間接排放。三星電子的情況同樣嚴峻，其預計到2030年的年排放量將超過3200萬噸二氧化碳當量。

地理集中度放大了芯片制造業的碳足跡問題。全球約75%的半導體產能集中在東亞地區，特別是中國臺灣、韓國。而這些地區的電網結構仍嚴重依賴化石燃料，2023年，韓國58.5%的電力供應來自化石燃料，臺灣為83.1%。

地域分布差異是評估芯片碳足跡的重要維度。同一家公司在不同地區生產的芯片，由于電網結構不同，其間接排放可能有數倍之差。例如，使用中國臺灣電網（2021年燃煤發電占比約45%）制造的芯片，其碳強度顯著高于使用挪威電網（以水電為主）生產的同款芯片。這種差異在當前缺乏碳邊境調節機制的情況下，扭曲了市場競爭，也削弱了企業向清潔能源轉型的動力。

由誰負責

半導體產業的碳排放責任需要在整個價值鏈中進行分配，從設計公司到代工廠，從設備供應商到終端品牌，每個環節都承擔著不可推卸的責任。

芯片制造巨頭無疑是責任鏈中最重要的一環。臺積電、三星電子和英特爾作為全球三大半導體制造商，其生產過程中的直接排放和能源消耗構成了行業碳足跡的主體。臺積電和三星電子作為碳排放大戶，耗電量超過一些國家的整體用電量，但這些企業擁有龐大的資金實力和技術能力，理應率先實現能源結構轉型。

上游設備與材料供應商同樣負有重要責任。Applied Materials、ASML、東京電子等半導體設備巨頭提供的生產工具決定了制造工藝的能效上限，但推動綠色制造技術方面的創新明顯不足。例如，化學材料供應商Solvay SA雖已開發出一些污染化學品的替代品，但全氟化碳等強效溫室氣體仍然在半導體制造中廣泛使用。

投資者與金融機構在責任矩陣中也扮演著重要、但常被忽視的角色。BlackRock、Vanguard等大型資產管理公司作為半導體企業的最大股東，有能力通過股東決議和投資決策影響企業的環境政策，卻很少將碳排放作為核心評估指標。

下游科技巨頭作為芯片的最終用戶和需求驅動者，其責任不容忽視。蘋果、微軟、谷歌、亞馬遜等公司雖然已實現自身運營的100%可再生能源目標，但對供應鏈的碳排放卻缺乏足夠的約束力和支持措施。

責任分配必須考慮歷史排放與能力原則。臺積電、三星等亞洲芯片巨頭雖然當前排放量大，但其產業地位是在全球電子產業轉移過程中形成的，歐美品牌企業長期將高耗能、高污染的制造環節外包，卻享受了終端產品的絕大部分利潤。

這種全球價值鏈的分工不平等意味著氣候責任也應當共擔——終端品牌不僅需要為自身運營的排放負責，也應當為供應鏈排放提供技術支持和資金補償，才能真正推動整個產業的綠色轉型。

綠色和平組織東亞供應鏈項目負責人Katrin Wu表示，像Nvidia和AMD這樣的無工廠硬件公司忽視了東亞供應鏈對氣候的影響。對于他們及其同行來說，充分認識到其供應鏈對環境的影響，并與制造商合作增加可再生能源的使用至關重要?！坝布究梢酝ㄟ^直接投資風能和太陽能容量，簽署電力購買協議，并利用其影響力來倡導電網中可再生能源的更高比例來克服可再生能源瓶頸?！?/p>

減排路徑：從工藝革新到可再生能源應用

面對嚴峻的能源消耗與碳排放挑戰，半導體產業亟需一套系統性的技術解決方案。

工藝優化與設備能效提升構成了最直接的減排途徑。臺積電展示了一些成功案例——通過與供應商合作改造廠房設備的電力變壓器，將運轉效率由98.3%提升至99%。截至2024年5月，臺積電在12座先進制程晶圓廠和1座先進封測廠中已導入2435顆高效率變壓器，總計節電6600萬度、減碳3.2萬噸。

特種氣體替代是半導體制造業特有的減排杠桿。目前芯片生產中普遍使用的全氟化碳等氣體，其溫室效應是二氧化碳的數千倍。英特爾發起了一項跨行業的研發倡議，目標是尋找全球變暖效應更低且更環保的化學品，并開發新的減排設備。理想情況下，半導體產業應當建立類似蒙特利爾議定書的多邊機制，共同淘汰高GWP氣體的使用。

人工智能賦能能效管理展現了新興技術的減排潛力。芯片制造過程中產生的海量數據為AI優化提供了基礎，通過機器學習算法分析設備運行參數、環境條件和能耗數據，可以找出最優的生產能效模式。應用材料公司已開始利用AI優化芯片制造設備的調度和維護，減少非生產性能耗。

芯片制造是水資源密集型產業，每個工藝步驟之間需要使用超純水沖洗半導體晶圓，而制程工藝越先進、涉及的步驟就越多。水處理和高純水制備消耗大量能源，而能源生產又需要水冷卻，形成耦合循環。英特爾已意識到這一問題，發布了凈正水承諾，即盡可能節約用水并資助水利項目，保證為當地提供超出芯片制造消耗量的淡水資源供應。

除了上述路徑，可再生能源的直接應用才是更加根本的解決方案。研究表明，在全球范圍內，可再生能源已成為最便宜的能源形式之一——2023年，亞太地區公用事業光伏太陽能發電的平準化電力成本平均下降了23%。

成本對比極具說服力：中國大陸2025年燃煤電價預計為90美元/兆瓦時，而可再生能源電價僅為48美元/兆瓦時，并且會在2030年下降到31美元/兆瓦時。在日韓和歐洲，這種差距更加明顯，預計到2050年歐洲天然氣電價將是可再生能源電價的13.3倍。經濟性已經不再是阻礙，半導體企業需要克服的是長期購電協議的簽訂障礙和電網接入的技術挑戰。

通過工藝革新、可再生能源替代與全生命周期管理，行業有望在2030年前將AI芯片制造的電力需求增長控制在合理區間。這一目標的實現需要芯片巨頭、終端品牌與政策制定者的協同行動——從簽署長期購電協議到建立碳足跡追溯體系，每一步都需直面利益博弈與技術壁壘——畢竟，芯片不應以燃燒未來為代價。

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