本文来自微信公众号“半导体产业纵横”，作者/六千。
近年来，人工智能行业迅速发展，芯片作为其核心组件，一直备受关注。然而，在博世互联世界2024大会上，特斯拉CEO埃隆·马斯克提出了一个观点：到了2025年，困扰AI行业的可能不再是芯片的短缺，而是电力供应的紧张。与此同时，多家媒体报道芯片代工大厂台积电也迎来电费难题。据报道，中国台湾考虑将台积电电价上调至多30%。
芯片制造是一个高度复杂和能源消耗巨大的过程。从熔化硅开始，到使用大功率激光进行光刻，再到创造和维护真空状态，以及持续清洁工作，每一个环节都需要大量的电力支持。据统计，半导体制造厂每小时的耗电量高达100兆瓦时，相当于8万多户北美家庭的用电量。这意味着，随着人工智能行业对芯片需求的不断增长，电力供应压力也将日益增大。
随着人工智能的快速发展以及应用，针对它的耗能问题也产生了诸多讨论。人工智能有多耗电？每生成9张照片消耗的能量，就可以充满一部手机。
人工智能开发商Hugging Face和卡内基梅隆大学研究人员组成的团队，利用一款名为Code Carbon的自研工具，对HuggingFace Hub上16个最受欢迎的开源模型进行了能量消耗和碳排放数据的比较。数据显示生成式AI每生成1000次图像所消耗的电量在0.06至2.9千瓦时（kWh）之间，中位数接近1.35千瓦时。相比之下，为普通智能手机充电所需的能量仅为0.012千瓦时。这意味着，生成大约九张（中位数）人工智能图像所消耗的能量，便相当于为一部充满电的手机提供能量。如果用户使用效率最低的图像生成模型，那么每生成一张图片所消耗的能量便足以充满一次普通智能手机，最糟糕的情况下甚至能充满两次。
高耗电量背后意味着碳排放的升高。
随着模型规模的扩大和生成图像质量的提高，所需的能耗和碳排放量也将进一步增加。耗电量背后关系到的是碳排放问题，每张图像生成过程中产生的二氧化碳排放量在0.1至0.5克之间，异常值甚至可能达到2克二氧化碳。这意味着，生成1000张图片所产生的排放量相当于一辆普通汽车行驶6.5公里所产生的排放量。
人工智能在图像生成方面的能耗和碳排放问题不容忽视。
01
台积电消耗全岛7%电力
让我们进一步看看芯片行业的耗电问题。
2020年，台积电EUV光刻机用电量就达100亿度，占台积电总用电量的50%以上。台积电不断扩充先进制程，就要一直增设光刻机，造成用电需求年年增长。
台积电2020年用电量为160亿度，约占台电售电量的5.9%；2021年用电量快速成长至191.9亿度，占台电售电量的7.2%，用电成长率高达20%，用电量超过了拥有270多万人口的台北市。据德勤预计到2025年，仅台积电一家公司就将占中国台湾整体能源消耗的12.5%。
此外，晶圆制造需要超净的生产环境，整个超净间需要制冷和恒温将稳度控制在22℃左右，每天超净间的正常运作都将消耗大量的电能；为了要热处理设备和离子设备来处理芯片生产过程中产生的高温，这部分涉及到的功耗也极其惊人。据德勤估计，到2028年，台积电占据中国台湾的电量消耗可能达到惊人的15%。
随着全球气候变化和能源转型的推进，电力供应的稳定性已经成为一个全球性的问题。面对如此巨大的耗电量，对于芯片行业来说最大的问题是，供电不稳将直接影响工厂产量。尤其是在发展中国家，电力供应不足和不稳定的问题尤为突出。此前，英特尔曾搁置越南投资计划的原因就是“对越南电力供应稳定程度感到担忧”。
在这样的背景下，如果人工智能行业继续以当前的能源消耗速度发展，那么电力供应紧张的问题很可能会成为制约其发展的瓶颈。此外，电力供应紧张还可能对人工智能行业的可持续发展带来挑战。随着人们对环保和可持续发展的日益关注，越来越多的企业和国家开始将绿色能源作为发展的重点。然而，如果人工智能行业的能源消耗持续增长，那么其对于绿色能源的需求也将不断增加。这可能会使得绿色能源的供应变得更为紧张，从而影响整个行业的可持续发展。
02
没有电，就没有芯片
回到台积电的耗电量，仅台积电在中国台湾的工厂消耗就如此之大，可想而知全球晶圆厂的耗电量的规模。晶圆厂的高耗电量原因有许多，当然最直接的一点就是没有电就造不出芯片。
更具体地去看，芯片行业对用电的要求是略微苛刻的。
在用电特性部分，台积电需要24小时连续制程，属全时段用电，年负载率高达80%~90%。其中，在先进制程产能部分，大概率处于满载状态，生产工厂的日用电曲线分布，应该是全日都维持用电尖峰。同时，随着制程的更新，以及产量扩大，台积电的用电量还会增加。
为了确保台积电供电稳定，台电在竹科、中科及南科都有配套供电措施，竹科是有通宵电厂、离岸光电来支援；中科是台中电厂加上离岸风电，南部没有离岸风电，南科是以台电兴达电厂为主要电力来源。这个概念是台电电厂直接对台积电有关的科学园区，为了保证台积电的生产，有关部门提供了双保险，通过用双回路来防范断电意外发生，确保台积电连续生产过程不受干扰。即使有意外发生，台积电自己也有备用的发电设备。
如此高的用电量，对于芯片企业来说，其背后的低碳需求日益增长。芯片行业为了更绿色也尝试了各种探索。芯片行业可采取的措施包括提升除当前芯片制造工艺外其他工艺流程的能源效率和速度：例如，LEED认证建筑，该行业十年来一直使用该技术来提高可持续发展能力。美国LEED体系是一个国际性绿色建筑认证系统。
当然其中最为重要的依旧是绿色电力的应用。据德勤数据电可再生能源可使该行业晶圆厂的能源消耗强度（瓦时/美元）从2020年的近240降至2022年的219，预计2024年将降至206。此外，可再生能源使用比例预计将以高于能源消耗强度降幅的速度上升：预计到2024年，可再生能源将占能源构成的28%，是2020年的两倍。
说到底，电力问题、能源问题都是环保议题。越来越多的企业将自己的环保“KPI”提上台面。英特尔于2022年4月宣布致力于实现温室气体净零排放。（温室气体）排放；到2030年，将供应链温室气体排放量与无投资及行动情况下的排放量相比减少30%；同时提高能源效率，降低我们产品和平台的碳足迹。台积电在CSR(永续)报告中表示，未来非生产性的用电，到2030年要100%的绿电，但是生产性的用电只能使用25%绿电。
03
环保，不仅仅是省电费
随着科技的不断进步和全球电子市场的持续扩大，半导体产业正以前所未有的速度发展。对于半导体企业来说，提高可持续性不仅是一种社会责任，更是一种商业回报。在未来的发展中，半导体企业需要不断加强在环保和可持续发展方面的投入和创新，以适应日益严峻的环境挑战和市场需求。在当今这个日益关注环保和可持续发展的时代，半导体企业面临着前所未有的挑战和机遇。随着全球对绿色能源和环保意识的日益增强，半导体企业在生产过程中对绿电的成分和比例受到了越来越多的关注。对于半导体公司而言，环保意识不仅仅是一种社会责任，更是一种商业回报。提高可持续性不仅有助于企业的长期发展，还能带来诸多实际利益。
为了实现这一目标，半导体企业可以采取一系列措施。首先，加强技术研发和创新，推动绿色生产技术的研发和应用。通过研发更加环保、高效的生产技术，可以进一步降低能源消耗和减少环境污染。其次，建立完善的绿色供应链管理体系，确保供应链中的每一个环节都符合环保和可持续发展的要求。此外，加强员工培训和意识提升，培养一支具备环保意识和可持续发展理念的团队，也是至关重要的。
通过降低能源消耗和减少废物排放，企业可以显著降低生产成本。其次，随着社会对环保意识的提高，提高可持续性有助于半导体公司吸引和留住人才，同时也能赢得更多消费者的信任和支持。此外，提高可持续性还有助于降低半导体供应链的脆弱性，确保供应链的稳定和安全。
在半导体产业的人才竞争中，环保同样占据重要地位。半导体行业正面临与其他多个行业的技术型人才争夺，因此保持优良的环保记录显得尤为重要。特别是在吸引年轻员工方面，具备良好可持续发展记录的公司更具吸引力。根据德勤2023年对Z世代和千禧一代的调研结果显示，有六分之一的受访者已经因气候问题更换工作或行业，而另有四分之一的受访者计划在未来这样做。这一趋势表明，环保和可持续发展在半导体产业人才招聘中的重要性不容忽视。
