在环境问题的压力下,半导体制造商能否可持续地满足激增的需求?

其实,要想使芯片行业可持续发展,需要的可能不仅仅是承诺。

在环境问题的压力下,半导体制造商能否可持续地满足激增的需求?插图

虽然,最近芯片供应不足,但人们也越来越担心它们对环境的影响。干旱和新冠肺炎导致工厂(或晶圆厂)关闭,而疫情推动了对医疗设备、远程设备和所有其他设备的需求激增,以帮助人们保持生产力和减少与世隔绝的状态。但一段时间以来,对芯片的需求一直在增长,因此有必要思考一下,满足这些需求是否符合气候和可持续发展目标。

答案是,这是一项正在进行的工作。半导体制造商正在全球各个地方建设新设施,为行业从一开始就融入可持续发展提供了机会。这样做将有助于领先的芯片制造商实现自愿承诺,比如,到 2040 年和 2050 年实现净零排放。根据政府间气候变化专门委员会的最新报告,这些承诺令人鼓舞,但仍需采取紧急行动。承诺不能保证交付,但来自研究人员、外部监管机构和消费者的贡献,可以帮助实现这一点。

密切关注制造业

2020年,哈佛大学的一个小组发表了一项研究,计算了从组件制造到回收的计算过程中的碳排放,包括设备处于活动状态时的能源使用。他们的概述汇总了许多大型科技公司的公开可持续发展报告中的数据,包括台积电、英特尔、谷歌、微软、Facebook和苹果。最大的收获之一是,对于许多类型的移动和数据中心设备来说,硬件制造业现在是主要的碳排放源。

近年来,因为性能和能源效率方面的创新,已经降低了操作这些设备的碳足迹,这是一个好消息,但研究人员预测,到2030年,信息和计算技术(ICT)行业的全球能源需求将增长7%至20%,因此也迫切需要进一步改善,以减少硬件制造业的排放。

该项研究的牵头人乌迪特·古普塔(Udit Gupta)说:“第一要务是,尝试使用更多的可再生能源,第二要务当然是在公众中进行更多的碳核算和报告,这将会有很大帮助。”乌迪特·古普塔表示:“我们已经看到,围绕更好地核算和报告整个技术领域的碳指标,已经有了更多的讨论,无论是谷歌和Facebook等面向大型数据中心的公司,还是英特尔和台积电等公司。这将启动这一研究领域,让人们做出贡献,大家开始集思广益,提出解决该领域问题的解决方案。”

乌迪特·古普塔的研究结果表明,到目前为止,转向可再生能源一直是减少半导体和硬件制造业碳排放的一个关键因素。但即使在乐观的情况下,硬件制造业预计仍将在该行业的碳足迹中占据很大份额。

该研究的合著者和负责人大卫·布鲁克斯(David Brooks)表示:“芯片制造商正在努力,但不幸的是,这不会在一夜之间发生。我们的研究希望传达的一件事是,优化可持续发展和减少碳排放,与优化能源效率截然不同,我们真的有兴趣让人们理解这一点。能源很重要,但它只是拼图中的一部分,因为还有其他所有因素,比如制造业和可再生能源供应的作用。”

比畜牧业要好

但是,我们所谈论的碳足迹到底有多大呢?一些同行评议的估计计算出,整个信息和计算技术(ICT)行业占全球温室气体 (GHG) 排放量的 1.8% 至 3.9%,其变化基于基本假设。根据美国环境保护署(EPA)的计算,电子行业仅占该国 2020 年温室气体排放量的 0.1%。

这些估计不仅仅包括半导体制造,尤其是芯片制造,英特尔和台积电最新的企业可持续发展报告列出了他们的年排放量分别为,略低于300万吨和超过900万吨(这是范围1和范围2的排放,意味着他们的直接运营和购买能源产生的排放)。为了正确看待以上的数字,对比2020年全球温室气体排放总量,为500亿吨。

与肉牛行业相比,这些数字相对较小。研究人员最近发现,肉牛行业占温室气体排放总量的近9%(尽管报告和基本假设存在差异)。但确实有理由让芯片制造更具可持续性。根据各方的估计,半导体的需求看不到尽头。芯片制造需要大量的能源、水以及许多自然资源,如钴、锂和金,以及各种危险化学物质,如全氟碳化合物(PFCs),其全球变暖潜能值比二氧化碳高1万倍。

承诺,还是承诺

值得称赞的是,各公司一直在进行创新和投资,有些公司的投资比其他公司多。根据英特尔最近的报告,其82%的全球业务在使用可再生能源(三星为13.9%,台积电为7.6%)。该行业在很大程度上与采购原材料的负责任企业联盟(Responsible Business Alliance)保持一致,该联盟为减少矿物开采和加工对社会和环境的影响提供了指导。还有开展大量的水回收活动(特别是考虑到该行业对干旱的敏感性)以及促进循环经济解决方案和消除垃圾填埋场的努力。

此外,该行业一直在努力减少全氟碳化合物(PFCs)的使用,寻找更环保的替代品,并开发改进的减排方法,以在使用 PFC 时将其销毁。这包括与美国环保署的长期伙伴关系以及一项新的跨行业研究和发展计划。

英特尔首席可持续发展官托德·布雷迪(Todd Brady)说:“我们只是想看看‘我们能否做一些完全不同的事情吗?’当然,挑战在于,我们现在正在制造半导体,你可以在拇指指甲盖大小的东西上安装十亿或数十亿个晶体管。我们在分子水平上工作,一切都很精确。当我们有几十年研究这些化学物质的经验时,要完全改变化学物质是非常非常困难的。我们知道它们的反应。我们知道它们是如何运作的。我们知道如何在分子水平上操纵它们。所以,重新开始,对我们这个行业来说是一个巨大的挑战。但我认为我们必须投入进去,看看有什么可用的,给自己足够的时间来想出解决方案。”

政治和购买者

该行业兑现承诺的程度还取决于监管和市场。这些承诺是自愿的,许多公司选择报告(或不报告)的碳排放量也是自愿的。正如古普塔和布鲁克斯所强调的,需要更多的报道来充分了解该行业的贡献程度。

美国证券交易委员会(SEC)最近提出了新的规则,将上市公司的气候相关信息披露标准化,并呼吁加强所有行业的监管、报告和执行。这可能是确保一个国家的工业活动符合巴黎气候目标的更有效的方法之一。

市场力量也发挥着重要作用。有一些全球性的资源,比如,EPEAT(电子产品环境影响评估工具)注册,根据若干可持续性和社会责任标准认可电子产品。第三方验证整个供应链(包括半导体制造)的产品的可持续性表现,并且标准也会定期更新。

EPEAT 由美国环保署资助开发,由非营利组织全球电子理事会管理。该资源用于向大型机构购买者(例如,政府、私营部门、大公司)提供工具,以选择符合可持续发展目标的供应商,但它也对个人消费者有用。

全球电子理事会标准和类别开发高级主管帕特里夏·迪隆(Patricia Dillon)解释道:“我们主要关注机构和大型采购商,以推动整个行业的变革。 例如,在 2020 年,采购商告诉我们,他们购买了超过 22 亿美元的 EPEAT 注册产品。因此,除了监管之外,购买者和市场的力量确实是变革的主要驱动力。”

可持续性设计指标

回到哈佛大学,古普塔和布鲁克斯的工作也将可持续发展和减少碳足迹的想法,带到了计算设计的早期阶段。

该研究的负责人大卫·布鲁克斯说:“我们试图传达的另一个信息是,尽管制造业排放占了很大一部分,但这并不意味着架构和系统软件人员没有帮助减少这些排放的作用。我们真的很擅长针对许多指标进行优化,但我们需要知道指标是什么,我们需要有一种衡量它的方法。这就是为什么我们如此感兴趣去想出一种方法,来获得可持续发展的衡量标准。但这真的很困难,因为它不像我提到的所有其他衡量标准,你可以拿着芯片在实验室里测量它。”

除了这项研究,布鲁克斯还致力于在哈佛大学的计算机科学课程中加入可持续发展、伦理和社会责任等方面的内容。乌迪特·古普塔的研究,还旨在开发将可持续性纳入计算设计的指标,例如,通过对运营碳足迹建模。

乌迪特·古普塔认为:“这项工作填补了一个空白,使计算机架构师和系统设计师,能够量化硬件系统的碳足迹。我们一直在努力实现的目标是 ‘我们能否将可持续性作为一种一级设计约束或设计目标,同时考虑人们对功能、性能和效率的思考方式?’ 我认为,在计算机科学和计算机工程领域有很多人会感兴趣,人们会越来越多地问:‘作为一个社区,我们能做些什么来解决这些问题,并使计算机更加可持续地向前发展呢?’ ”

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