Salta al contenuto principale
Scritto da
  • 5 min
  • 52 fonti
Computing e IA

Come funziona una fabbrica di chip e quanta energia assorbe?

Quanta energia e acqua consuma una gigafab, quanto è pulita l'aria e come lavora l'EUV: dati NIST, ASML e TSMC, ognuno datato al suo anno di riferimento.

Interno di una fabbrica di semiconduttori con camera bianca illuminata e macchine litografiche EUV allineate lungo il reparto

Le fab di semiconduttori lavorano spesso a livello ISO 7 o 5; il livello 1 è molto raro.

Una fabbrica di chip non lavora in una camera ISO 1: le fab di semiconduttori stanno spesso al livello ISO 7 o 5, e il livello 1 è molto raro.[1] I numeri che contano sono altri: nel 2021 il consumo energetico mediano di 29 fab è stato di circa 2,74 milioni di MWh[2] e l'uso mediano di acqua ultrapura di circa 4,25 miliardi di galloni.[3] Sono mediane di un campione, non limiti per singolo impianto, e le cifre vanno lette con l'anno della loro fonte, che va dal 1999 al 2025.
Energia mediana di una fab
2,74 mln MWh
Consumo mediano di 29 fab nel 2021[2]
Acqua ultrapura mediana
4,25 mld gal.
Galloni di UPW usati nel 2021, mediana di 29 fab[3]
Livello tipico delle fab
ISO 7 o 5
Il livello ISO 1 è molto raro negli impianti di semiconduttori[1]

In questo articolo

Salta a una sezione

Elettricità: dove finisce l'energia di una fab

Nel 2021 il consumo energetico mediano di 29 fab è stato di circa 2,74 milioni di MWh[2]. Litografia, incisione e deposizione tendono a essere le fasi di processo più energivore[4]. Anche le camere bianche richiedono energia. Serve per il ricircolo dell'aria e per il controllo di temperatura e umidità[5]. Un'altra descrizione parla di terawattora annui. Contano elettricità, calore, acqua e raffreddamento[6].
Alcune misure e dichiarazioni, ciascuna con il proprio anno:
  • 1999 (EPRI): studio dei consumi in 14 fab[7]; media di 7,45 kWh per pollice quadrato (1,15 kWh/cm²) di wafer processato[8]; strumenti di processo con oltre il 40% dell'elettricità usata dalle fab[9].
  • 2019 (TSMC): scaldabagni a ricircolo per la pulizia dei wafer, con l'acqua calda sprecata ridotta dell'80%[10]; 29 scaldabagni a ricircolo hanno risparmiato in totale 14 milioni di kWh (dato di novembre 2019)[11].
  • 2020 (Intel): oltre 2.000 progetti di risparmio energetico in un decennio, con 4,5 milioni di MWh risparmiati secondo la dichiarazione dell'azienda[12].
Nel campione NIST la generazione elettrica in loco è soprattutto combustione di combustibili fossili, pari al 12% dell'energia totale usata[13]. Il dato è aggregato. Da impianti di questo tipo escono i chip dell'hardware per il calcolo.

Litografia EUV: stagno, laser a CO2 e una resa del 5-6%

La sorgente EUV di produzione è di tipo LPP, cioè plasma generato da un laser, l'architettura dominante nella litografia EUV commerciale[14]. Opera a una frequenza di ripetizione di circa 50 kHz, con un'efficienza di conversione dalla luce laser alla luce EUV di circa il 5–6%[15].

5–6%

Conversione da luce laser a luce EUV in una sorgente LPP
Il plasma nasce da gocce di stagno fuso. Misurano circa 25 μm di diametro e sono lanciate a circa 70 m/s in una camera a vuoto[16]. Un laser a CO2 a doppio impulso colpisce ogni goccia[17]. Nei sistemi del periodo 2002–2009 gli specchi del treno ottico assorbivano il 96% della luce EUV[18], e lo specchio collettore, costoso, va sostituito ogni anno per i detriti di stagno[19].
Le sorgenti LPP di attuale generazione erogano circa 250 W di potenza EUV utile nel punto di focalizzazione intermedio[20]. Una stima di Hynix presentata al simposio EUV del 2009 parlava di 1 MW di potenza in ingresso per ottenere 200 W allo stesso punto, con 100 wafer all'ora[21]. Quel numero è del 2009.
Secondo ASML la tecnologia è esclusiva sua e stampa con luce a 13,5 nm[22]. L'azienda dichiara oltre 6 miliardi di euro investiti in ricerca e sviluppo EUV in 17 anni[23] e ha acquisito Cymer, specializzata in sorgenti luminose, per accelerare lo sviluppo della sorgente[24]. Nel dicembre 2023 ha spedito a Intel i primi moduli del primo sistema High NA EUV[25]. Il TWINSCAN EXE:5000, secondo ASML, può stampare oltre 185 wafer all'ora[26].

Acqua ultrapura: quanta ne serve e quanta si recupera

L'acqua assolutamente pura ha una resistività teorica di 18,18 MΩ·cm a 25 °C[27], e la resistività è molto sensibile alla contaminazione ionica[28]. I requisiti di purezza dell'industria dei semiconduttori sono in genere i più severi tra le applicazioni dell'acqua ultrapura (UPW), per evitare difetti nei circuiti su scala nanometrica[29]. La norma ASTM D5127 descrive sette classi di acqua, fino a linee larghe 0,032 μm[30]. Serve acqua ad alta purezza per evitare rese produttive basse[31].
Nel 2021 l'uso mediano di UPW tra 29 fab è stato di circa 4,25 miliardi di galloni[3]. Le fab avanzate consumano diversi milioni di galloni di UPW al giorno[32]. Nella domanda idrica di una fab, l'abbattimento dei gas pericolosi di processo pesa per il 20%[33] e le perdite del trattamento UPW per il 9%[34].
Il riciclo esiste in forme diverse. Alcuni produttori hanno iniziato a usare acque reflue municipali o industriali recuperate come materia prima per l'UPW[35], e certi sistemi rimandano l'UPW usata nella filtrazione, perché spesso è più pulita dell'acqua di partenza[36].
TSMC riporta che a Tainan la fornitura cumulativa di acqua riciclata ha superato i 67.000 m³ al giorno[37], con una riduzione del 31% dell'uso di acqua urbana[38]. Su scala di settore la cifra è un'altra: secondo Taiwan Insight il 96,6% dell'acqua usata nella produzione di semiconduttori viene da fonti naturali di acqua dolce e solo il 3,2% è acqua riciclata nell'approvvigionamento idrico del settore[39]. La stessa fonte attribuisce a TSMC circa 150.000 tonnellate di acqua al giorno[40].

Camera bianca: livelli ISO 7 e 5, non ISO 1

Il numero di classe ISO 14644-1 è il logaritmo decimale del numero di particelle da 0,1 μm o più ammesse per metro cubo d'aria[41]. Le fab di semiconduttori si accontentano spesso del livello 7 o 5, mentre gli impianti di livello 1 sono molto rari[1]. ISO 1 resta l'eccezione.
L'aria esterna di una tipica area urbana contiene circa 35.000.000 di particelle per metro cubo nella fascia da 0,5 μm in su[42]. Dentro la camera, i sistemi a flusso laminare coprono tipicamente circa l'80% del soffitto[43]. L'aria ricircola di continuo attraverso ventilatori e filtri HEPA o ULPA. Questi tolgono i contaminanti generati all'interno[44]. Una fab moderna può usare fino a 50.000 m³ di azoto all'ora per inertizzare e spurgare[45]. Chip di questo tipo finiscono anche nelle schede grafiche, come nello smontaggio di una GPU RTX 5090.

Vibrazioni e costi: pali nella roccia, molle e miliardi

Per allineare le macchine di fotolitografia su scala nanometrica, la camera bianca deve essere smorzata dalle vibrazioni[46]. Una soluzione sono i pali profondi nelle fondazioni, che ancorano la camera alla roccia di base[47]; un'altra è il disaccoppiamento dall'edificio con molle robuste[48]. Un'altra struttura che si regge sulla propria geometria è la torre Shukhov a iperboloide d'acciaio.
Nave posacavi che cala in mare un cavo a fibra ottica, accanto alla sezione interna e a un ripetitore con amplificatore

Da leggere · Computing e IA

Come fa la luce a superare l'oceano nei cavi sottomarini

Le fab moderne sono tra le cose più costose mai costruite, con costi nell'ordine delle decine di miliardi di dollari[49]. Una stima in euro del costo per singola fab indica il passaggio da circa 1,5 miliardi di euro negli anni Novanta a una forbice tra 5 e 20 miliardi di euro nel 2023[50]. Nel 2025 TSMC ha annunciato un investimento di oltre 45 miliardi di dollari in una nuova fab per il processo a 2 nm[51]. Secondo il rapporto SIA del 2022, il CHIPS Act include 52 miliardi di dollari in incentivi alla manifattura di chip e in investimenti in ricerca[52].

Domande frequenti

Come funziona una fabbrica di chip in termini di energia e acqua?
Nel 2021 il consumo energetico mediano di 29 fab è stato di circa 2,74 milioni di MWh[2] e l'uso mediano di acqua ultrapura di circa 4,25 miliardi di galloni[3]. Sono mediane di un campione, non limiti per singolo impianto.

Una fabbrica di chip lavora in camera bianca ISO 1?
Di norma no. Le fab di semiconduttori usano spesso il livello 7 o 5, mentre gli impianti di livello 1 sono molto rari[1].

Quanta luce EUV produce davvero una sorgente di una fabbrica di chip?
L'efficienza di conversione è di circa il 5–6%, con una frequenza di ripetizione di circa 50 kHz[15]. Le sorgenti LPP di attuale generazione erogano circa 250 W di potenza EUV nel punto di focalizzazione intermedio[20].

Che cos'è l'acqua ultrapura e quanta se ne ricicla in una fabbrica di chip?
L'acqua assolutamente pura ha una resistività teorica di 18,18 MΩ·cm a 25 °C[27]. Secondo Taiwan Insight solo il 3,2% dell'acqua usata nella produzione di semiconduttori è acqua riciclata nell'approvvigionamento idrico del settore[39]; TSMC riporta oltre 67.000 m³ al giorno di acqua riciclata a Tainan[37].

Quanto costa costruire una fabbrica di chip?
Le fab moderne costano decine di miliardi di dollari[49]. Una forbice da 5 a 20 miliardi di euro è riferita al 2023[50], e nel 2025 TSMC ha annunciato un investimento di oltre 45 miliardi di dollari in una nuova fab per il processo a 2 nm[51].

Come si proteggono dalle vibrazioni le macchine di una fabbrica di chip?
Con pali profondi nelle fondazioni che ancorano la camera alla roccia di base[47], oppure disaccoppiando la camera dall'edificio con molle robuste[48].

Fonti

52 riferimenti Mostra
  1. Wikipedia, Cleanroom (si apre in una nuova scheda)

    «Semiconductor facilities often get by with level 7 or 5, while level 1 facilities are exceedingly rare.»

  2. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «Of 29 fabs (the largest sample size available), the median energy usage in 2021 was approximately 2.74 million megawatt-hours (MWh) of power»

  3. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «In 2021, the median ultra-pure water (UPW) usage among 29 fabs was approximately 4.25 billion gallons»

  4. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «Lithography, etching, and deposition tend to be the most energy intensive process steps.»

  5. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «Cleanrooms require energy for recirculation air flow and temperature and humidity control to meet contamination control requirements.»

  6. Wikipedia, Semiconductor fabrication plant (si apre in una nuova scheda)

    «Very high consumption of electricity, heat, water, and cooling, with power needs in the terawatt-hour range per year.»

  7. EPRI, TR-113499 (si apre in una nuova scheda)

    «Energy consumption levels were studied in 14 fabs»

  8. EPRI, TR-113499 (si apre in una nuova scheda)

    «On average, the fabs in this study consumed 7.45 kWh/inch 2 (1.15 kWh/cm 2) of wafer processed»

  9. EPRI, TR-113499 (si apre in una nuova scheda)

    «which consumed over 40% of the electrical energy used by the fabs»

  10. TSMC ESG (si apre in una nuova scheda)

    «successfully reduced waste hot water by 80%»

  11. TSMC ESG (si apre in una nuova scheda)

    «saving a total of 14M kWh of electricity»

  12. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «Intel has completed more than 2,000 energy conservation projects in the last decade, saving 4.5 million MWh (Intel, 2020)»

  13. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «onsite electricity generation among semiconductor fabrication facilities is primarily fossil fuel combustion (12 percent of total energy usage)»

  14. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «Laser-produced plasma, or LPP, is the dominant light-source architecture used in commercial high-volume manufacturing (HVM) EUV lithography.»

  15. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «The source operates at a repetition rate of ~50 kHz and conversion efficiency of ~5–6%.»

  16. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «ejects ~25 μm diameter molten tin droplets at ~70 m/s through a vacuum chamber»

  17. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «A dual-pulse carbon dioxide(CO2) laser system»

  18. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «Since the mirrors absorb 96% of the EUV light»

  19. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «which require the costly collector mirror to be replaced every year»

  20. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «Current-generation LPP sources deliver approximately 250 W of in-band EUV power at intermediate focus»

  21. Wikipedia, Extreme ultraviolet lithography (si apre in una nuova scheda)

    «to get 200 watts at intermediate focus for 100 wafers per hour, one would require 1 megawatt of input power»

  22. ASML, EUV lithography systems (si apre in una nuova scheda)

    «The technology, which is unique to ASML, prints microchips using light with a wavelength of just 13.5 nm»

  23. ASML, EUV lithography systems (si apre in una nuova scheda)

    «ASML invested more than €6 billion in EUV R&D over 17 years.»

  24. ASML, EUV lithography systems (si apre in una nuova scheda)

    «We acquired Cymer – a company specialized in light source technology – to accelerate EUV source development.»

  25. ASML, 5 things you should know about High NA EUV (si apre in una nuova scheda)

    «After a decade of R&D, ASML shipped the first modules of the first High NA EUV lithography system to Intel in December 2023.»

  26. ASML, 5 things you should know about High NA EUV (si apre in una nuova scheda)

    «can print more than 185 wafers per hour»

  27. Wikipedia, Ultrapure water (si apre in una nuova scheda)

    «Absolutely pure water has a conductivity of 0.05501 μS/cm and a resistivity of 18.18 MΩ⋅cm at 25 °C»

  28. Wikipedia, Ultrapure water (si apre in una nuova scheda)

    «Resistivity is highly sensitive to contamination by ions»

  29. Wikipedia, Ultrapure water (si apre in una nuova scheda)

    «Water purity requirements of the semiconductor industry are generally the most stringent to prevent circuit faults at the nanometer scale.»

  30. ASTM D5127 (si apre in una nuova scheda)

    «Seven classifications of water are described, including water for line widths as low as 0.032 μm.»

  31. ASTM D5127 (si apre in una nuova scheda)

    «High-purity water is required to prevent contamination of products during manufacture, since contamination can lead to an unacceptable, low yield of electronic devices.»

  32. Wikipedia, Ultrapure water (si apre in una nuova scheda)

    «advanced fabrication plants consuming several million gallons of UPW per day»

  33. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «abatement technologies to remove hazardous gases from SME (20 percent)»

  34. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «UPW treatment losses (9 percent)»

  35. Wikipedia, Ultrapure water (si apre in una nuova scheda)

    «some manufacturers have begun using reclaimed municipal or industrial wastewater as raw feedstock for UPW production»

  36. Wikipedia, Ultrapure water (si apre in una nuova scheda)

    «Some systems recycle used UPW water back into their UPW filtration system as this water is often cleaner than original sources.»

  37. TSMC, Annual Report (si apre in una nuova scheda)

    «The cumulative supply use of reclaimed water exceeded 67 thousand cubic meters per day»

  38. TSMC, Annual Report (si apre in una nuova scheda)

    «This reduced city water usage by 31%»

  39. Taiwan Insight, Water nexus: can semiconductors and sustainability coexist in Taiwan (si apre in una nuova scheda)

    «96.6% of water used in semiconductor manufacturing comes from natural freshwater sources, while only 3.2% is recycled.»

  40. Taiwan Insight, Water nexus: can semiconductors and sustainability coexist in Taiwan (si apre in una nuova scheda)

    «The company accounts for around 150,000 tonnes of water per day»

  41. Wikipedia, Cleanroom (si apre in una nuova scheda)

    «Small numbers refer to ISO 14644-1 standards, which specify the decimal logarithm of the number of particles 0.1 μm or larger permitted per m3 of air.»

  42. Wikipedia, Cleanroom (si apre in una nuova scheda)

    «The ambient outdoor air in a typical urban area contains 35,000,000 particles for each cubic meter in the size range 0.5 μm and bigger»

  43. Wikipedia, Cleanroom (si apre in una nuova scheda)

    «Laminar airflow systems are typically employed across 80% of a cleanroom ceiling to maintain constant air processing.»

  44. Wikipedia, Cleanroom (si apre in una nuova scheda)

    «Within, air is constantly recirculated through fans serving high-efficiency particulate absorbing filters (HEPA), and/or ultra-low particulate air (ULPA) filters to remove internally generated contaminants.»

  45. NIST, Final PEA for Modernization and Expansion of Semiconductor Fabs (si apre in una nuova scheda)

    «A modern fab can use up to 50,000 cubic meters of nitrogen per hour for inerting and purging gas»

  46. Wikipedia, Semiconductor fabrication plant (si apre in una nuova scheda)

    «The clean room must also be damped against vibration to enable nanometer-scale alignment of photolithography machines»

  47. Wikipedia, Semiconductor fabrication plant (si apre in una nuova scheda)

    «Vibration control may be achieved by using deep piles in the cleanroom's foundation that anchor the cleanroom to the bedrock»

  48. Wikipedia, Semiconductor fabrication plant (si apre in una nuova scheda)

    «Making the cleanroom entirely vibration-free by decoupling it from the building with strong springs»

  49. Wikipedia, Semiconductor fabrication plant (si apre in una nuova scheda)

    «Modern fabs are among the most expensive things built, with costs in the tens of billions of dollars»

  50. Wikipedia, Semiconductor fabrication plant (si apre in una nuova scheda)

    «from costs of around €1.5 billion per fab in the 1990s to between €5 and €20 billion as of 2023»

  51. Wikipedia, Semiconductor fabrication plant (si apre in una nuova scheda)

    «In 2025, TSMC invested over $45 billion into a new fab for their 2 nm process.»

  52. Semiconductor Industry Association, State of the U.S. Semiconductor Industry (si apre in una nuova scheda)

    «The CHIPS Act includes $52 billion in chip manufacturing incentives and research investments»