缺水、缺人，困住美国晶圆厂

来源:半导体行业观察发布时间:2023-07-201374浏览

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构建半导体工厂需要大量的土地和能源，然后需要地球上一些最精密的机器来运行。芯片工厂的复杂性是美国国会去年承诺投入超过 500 亿美元来提高美国芯片产量的原因之一，目的是使该国在技术上更加独立。

但随着美国寻求启动更多晶圆厂，它还需要采购更多一种不太明显的资源：水。以英特尔雄心勃勃的计划为例，他们计划在俄亥俄州哥伦布市郊外建造一座耗资 200 亿美元的巨型基地。该地区已经拥有三座水厂，每天总共提供1.45 亿加仑的饮用水，但官员们正计划斥巨资建设第四座水厂，至少部分是为了容纳英特尔。

水听起来可能不像电子制造的传统成分，但它在清洁被切片并加工成计算机芯片的硅片或晶圆方面发挥着重要作用。根据乔治敦安全与新兴技术中心 (CSET) 的数据，一家晶圆厂一天可能会使用数百万加仑的水，大约相当于一个小城市一年的用水量。

希望利用《芯片和科学法案》（去年旨在促进美国芯片制造业的联邦支出计划）的芯片公司现在正在其晶圆厂旁边建造新的水处理设施。试图吸引该立法资助的新工厂的城市正在研究对其供水的潜在影响。在某些地方可能需要确保供水；在其他情况下，必须安装新的基础设施来回收晶圆厂使用的水。

“地方领导人需要与所在城市的水资源工作人员和经济发展工作人员进行坦诚对话，以确保任何新的大容量用户都能很好地适应社区，”凯尔水政策中心主任莎拉·波特（Sarah Porter）说。亚利桑那州立大学。

在一些地方，由晶圆厂推动的供水基础设施升级已经在进行中。哥伦布计划在 2028 年某个时候开设第四家水厂，就在英特尔工厂计划开始生产第一批芯片几年后。该市表示，需要建立一个新的供水设施，从附近的赛欧托河取水，以支持该地区不断增长的人口，其中包括英特尔，该公司将成为该地区最大的用水户。

在干旱的亚利桑那州几个州之外，全球最大的代工芯片制造商台积电 (TSMC) 计划建造一座新的水回收设施，以支持其在菲尼克斯正在建设的新工厂，同时，似乎还从以下地方采购一些水附近的河流和水利基础设施。为了准备由存储芯片制造商美光公司在纽约州北部建造一座耗资 1 亿美元的晶圆厂，已经有巨大的储水箱，每个储水箱可容纳约 1500 万加仑的水。

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水的大吞食者

芯片行业对水的渴求源自于需要使硅片远离最微小的灰尘或碎片，以防止其微观组件受到污染。

为了给芯片提供典型的电路，晶圆厂使用极其强大的光刻工具，将复杂的图案蚀刻到称为晶圆的硅片上。最终，这些大的加工硅片需要被切成足够小的单独的计算机芯片，以便封装到我们的手机和计算机中。在这些过程中，切屑会积累残留物，需要用水冲洗掉。

所需水的体积可能很大。马萨诸塞州塔夫茨大学历史学教授、最近发表的《芯片战争》一书的作者克里斯·米勒 (Chris Miller) 表示，在美国，芯片工厂的用水量远远低于农业和发电行业，而且半导体也没有在全国范围内引发水资源问题上的政治紧张局势。尽管如此，在台积电总部台湾，资金短缺一直是一个令人担忧的问题，那里的干旱使当地农民与这家芯片制造商展开了对抗，他们的灌溉系统被关闭。

不是任何水都可以。正如芯片工厂内的空气必须无尘，人们必须穿着全包工作服一样，半导体行业在整个制造过程中使用特殊类别的“超纯水”来清洁硅晶圆。根据位于波士顿的水回收初创公司 Gradiant 的说法，虽然标准饮用水的纯度可能为 100 至 800 微西门子每厘米（一种用作污染指标的电导率测量方法），但超纯水的纯度低于每厘米 0.055 微西门子与芯片制造商合作。超纯水需要具有极低的电导率，这仅与少量麻烦的离子或带电原子相关。

康奈尔大学电气和计算机工程教授 Grace Xing 表示：“如果你想拥有尽可能高的材料性能，通常你必须达到极高的纯度。”她还领导着一个名为 SUPREME 的新跨大学半导体研究中心。“这是半导体行业需要大量水的原因之一。”

生产超纯水是一个多步骤的过程，可以去除各种污染物，包括海洋和湖泊中可能发现的微生物和其他微生物，以及更小的颗粒，甚至包括盐离子。使用的一种技术是反渗透，也用于海水淡化厂，该技术涉及将水推过孔径足够小的膜以过滤掉盐分。（芯片工厂还使用纯度较低的水来冷却制造设备，类似于家用水龙头流出的水。）

鉴于水在芯片制造中的关键作用，废水的回收和再利用已成为该行业的首要任务。晶圆厂内可重复使用的水越多，对当地供水的需求就越少。目前，不同公司和晶圆厂可回收的废水比例各不相同，具体取决于所使用的制造工艺和水处理投资。尽管如此，他们都面临着相同的基本问题：在清洗晶圆时，超纯水会受到污染，需要彻底清洗才能被晶圆厂重复使用或排放到公共废水处理系统中。

清理污水是一个复杂的过程，因为工厂废水中含有多种污染物。光刻和蚀刻会产生酸性废水，甚至会受到强力氢氟酸的污染。当晶圆变薄时，悬浮的硅颗粒会出现，而使用包括异丙醇在内的溶剂会留下有机碳残留物。

Gradiant 联合创始人兼首席运营官普拉卡什·戈文丹 (Prakash Govindan) 表示，该行业已经开发出分离废水中不同成分的方法，类似于普通民众对回收物进行分类的方式。“半导体行业在废水处理方面实际上非常先进，”他说。“先进的公司，我们合作的美国跨国公司，还有我们合作的韩国和台湾公司，他们都将废水至少分为 10 种以上，其中一些分为 15 或 16 种。”

例如，废水可以从那里进行处理以供再利用，重新输送到下水道，或者清洁并重新输送到冷却塔。

芯片制造商正在投资改进过滤和清洁工艺，以使更多的水可重复利用。例如，英特尔的目标是到 2030 年全球实现净正用水量，部分基于淡化和处理海水和雨水的计划。与此同时，美光科技的目标是到本十年末通过“再利用、回收和修复”来节约 75% 的能源。Gradiant 表示，通过改进反渗透工艺并使用改进的专有膜，它甚至能够实现 98% 的水回收率。

与此同时，在行业扩张之际，城市和地区需要做好准备，应对芯片工厂的到来可能对其供水系统和社区带来的影响。赌注很高。亚利桑那州立大学水政策专家波特解释说，流入芯片工厂的大约 85% 的水最终将离开工厂。例如，虽然芯片工厂的到来并没有影响该州的水资源供应，但菲尼克斯市计划将废水升级为饮用水。

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缺人，需要更多的移民

世界上最聪明的科学家和工程师的移民一直是美国无可争议的优势。它帮助推动了令人难以置信的技术创新，加强了国家安全，并创造了令世界羡慕的经济增长机器。

但由于华盛顿特区的短视，所有这些事情的前景现在都面临风险。

英国和加拿大已经嗅到了疲软的气息。两国一直在制定政策，从美国招募高技能外国人。本周，加拿大开始提供工作许可证，直接旨在吸引美国的 H-1B 签证持有者。

美国不应该在这个问题上掉以轻心。移民一直是半导体行业崛起的命脉。匈牙利移民安迪·格罗夫 (Andy Grove) 领导英特尔成为芯片巨头。台湾移民二人组 ——Nvidia 联合创始人黄仁勋和 Advanced Micro Devices首席执行官苏姿丰（Lisa Su）在维持美国的技术领先地位及其在世界芯片行业的主导地位方面发挥了关键作用。

政策制定者认为，美国需要更紧密、可靠地获取维持军事系统和经济运行所需的半导体。因此，当乔·拜登总统去年签署《芯片和科学法案》时，共和党人和民主党人都欢呼雀跃，其中包括大约 520 亿美元的资金来促进国内芯片制造。

但如果不改革我们陈旧的移民制度，这个计划就不会奏效。为了使《芯片法案》取得成功，美国必须引进大量具有必要的科学、技术、工程和数学 (STEM) 背景的外国工人。英特尔表示，仅在俄亥俄州建设两家芯片工厂的初始阶段就需要3,000 名新的技术工人。

理科毕业生的主要途径——H-1B 制度——需要更好地设计。令人难以置信的是，它是基于随机抽签，不以成绩为基础，但几十年来每年的上限都保持在 85,000 人的低水平。尽管两党都同意需要进行变革，但当前的政治气氛使国会瘫痪，无法通过重要的改革。

《巴伦科技》采访了位于华盛顿特区的无党派智库进步研究所的高级研究员杰里米·纽菲尔德（Jeremy Neufeld），讨论了如何实施更明智的移民政策，以及如果美国不采取行动，落后于中国的风险。

以下是我们与诺伊菲尔德谈话的经过编辑的要点：

问：移民人才推动美国技术创新的历史是怎样的？

纽菲尔德：国际人才一直是二战后美国技术领先地位的关键因素。特别是在半导体领域，无论是在制造方面还是在设计方面，它们一直是许多公司的核心。如果你看看人口普查局的电子元件制造业数据，就会发现超过 50% 的高级 STEM 人才是外国出生的。

问：移民改革对于 CHIPS 法案的成败有多重要？

纽菲尔德：除非国会通过移民改革解决人才瓶颈，否则其中许多投资将不会获得回报。显然，我们希望在美国培养下一代半导体人才，但他们需要由有经验的人来培训。目前，根据全球芯片市场的性质，大多数拥有必要经验的人并不生活在美国——尤其是尖端芯片领域。

我们在实地看到一些劳动力配置问题正在开始，而这是在《芯片法案》的大量投资投入使用之前。这将成为一个日益严重的问题。

问：现行制度，特别是 H-1B 签证规则存在哪些问题？

纽菲尔德：最大的高技能人才移民计划是H-1B。每年有 85,000 个签证可供申请，共有 800,000 名申请人。他们是通过随机抽奖获得的。这造成了巨大的不确定性和风险。

半导体行业没有办法优先。政府不能优先考虑符合国家利益的人才。许多签证都被[不太重要的]公司吃掉，这些公司基本上将其用作 IT 服务外包。

问：没有办法根据技能和优点来优先选择最聪明的人吗？

纽菲尔德：确切地说，政治通道双方都支持废除它。那些非常关心美国工人所面临的竞争的人不喜欢这样。拜登政府和进步派核心小组赞成废除它。支持择优移民的人希望废除它。

问：为什么不改革呢？

纽菲尔德：有跨党派协议。但由于一些原因，它已经根深蒂固。人们担心在没有解决其他移民问题的情况下狭隘地通过一些内容。从当前（非绩效）制度中受益的公司也有既得利益。

问：您会提倡哪些政策改变？

纽菲尔德：STEM 人才（尤其是博士和硕士）的绿卡上限豁免将是关键的第一步。将绿卡与文凭结合在一起的想法对于半导体行业来说意义重大。

其次，解决H-1B（抽签）问题，让更多的人可以进入芯片行业。最后，澄清“非凡能力”对于无上限签证的半导体领域有何影响。

问：如果我们不修复我们的系统，会发生什么？

纽菲尔德：[当前]美国移民体系的设计目的不是为了增长或扩大规模。如果我们继续自满，我们将面临严重的风险，阻止许多使美国成为世界科学和创新领导者的人才。它还将削弱成为芯片制造领导者的可能性。

我们对中国的科技领先地位将受到影响，进而，我们的安全也将受到影响

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