想要赢得芯片战争？你需要大量的水
赢得芯片战争，需要大量的水
建造半导体工厂需要大量的土地和能源，然后需要地球上最精密的机器来运行。芯片工厂的复杂性是美国国会去年投入超过500亿美元增加美国芯片生产的原因之一，旨在使该国在技术上更加独立。但是，随着美国寻求启动更多的芯片工厂，也需要更多一种不太明显的资源：水。以英特尔在俄亥俄州哥伦布市郊建造200亿美元的超级工厂为例。该地区已经有三座水处理厂，每天共提供1.45亿加仑的饮用水，但官员们计划在第四座水处理厂上大力投资，至少部分地为英特尔提供配套设施。
水在电子制造中可能听起来不像是传统的成分，但它在清洁硅片（也称为晶圆），将其切割并加工成计算机芯片中起着至关重要的作用。根据乔治城安全与新兴技术中心（CSET）的数据，单个芯片工厂可能在一天内使用数百万加仑的水，相当于一座小城市一年的用水量。
希望利用去年的《CHIPS和科学法案》来提高美国芯片制造业的芯片公司现在正在其工厂旁建造新的水处理设施。而试图吸引由该法案资助的新工厂的城市正在研究对其水供应的潜在影响。在某些地方，可能需要确保水供应；在其他地方，必须安装新的基础设施来回收芯片工厂使用的水。
亚利桑那州立大学凯尔水政策中心主任Sarah Porter表示：“地方领导人需要与城市的水资源部门和经济发展部门进行坦诚的对话，以确保任何新的高水量用户与社区相适应。”
在某些地方，由于芯片工厂的需求，水基础设施的升级工程已经在进行中。哥伦布计划在2028年的某个时候开放第四座水处理厂，这个时间距离英特尔工厂计划开始生产第一批芯片只有几年。该市表示，需要建造一座新的水处理设施来收集来自附近斯科托河的水，以支持该地区不断增长的人口，其中包括预计成为该地区最大用水量消费者的英特尔。
在干燥的亚利桑那州，全球最大的代工芯片制造商台湾积体电路制造公司（TSMC）计划建造一座新的水回收设施，以支持其在凤凰城建设的新工厂，同时还将从附近的河流和水基础设施获取一些水。为了迎接记忆芯片制造商美光在纽约北部州的一座价值1亿美元的工厂，已经建造了容量为约1500万加仑的大型水储存罐。
芯片行业对水的需求源于保持硅片上没有最微小的灰尘或杂质，以防止其微小组件受到污染。
为了赋予芯片其典型的电路，芯片工厂使用极其强大的光刻工具，将复杂的图案刻在被称为晶圆的硅片上。最终，这些经过加工的大型硅片需要切割成足够小的个体计算机芯片，以便包装到我们的手机和电脑中。在这些过程中，芯片会累积残留物，需要用水冲洗以去除。
所需的水量可能非常大。在美国，芯片工厂使用的水远远少于农业和发电行业，而且半导体行业尚未引发国家范围的水资源争端，马萨诸塞州塔夫斯大学的历史学教授克里斯·米勒（Chris Miller）表示，他是最近出版的《芯片战争》一书的作者。然而，在台积电的台湾故乡，由于干旱，当地农民的灌溉系统被关闭，与芯片制造商发生了冲突。
并非所有的水都适用。就像芯片工厂内部的空气必须没有灰尘一样，半导体行业使用一种特殊类别的“超纯”水来在整个制造过程中清洁硅片。根据波士顿的水循环初创公司Gradiant的数据，标准饮用水的纯度可能为每厘米100到800微西门子（一种用作污染指标的电导率测量单位），而超纯水的电导率小于每厘米0.055微西门子。超纯水需要具有极低的电导率，这与只有少量有问题的离子或带电原子有关。
康奈尔大学电气与计算机工程学教授Grace Xing说：“如果您想获得材料的最高性能，往往必须达到极高的纯度。这就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，包括微生物和其他您可能在海洋和湖泊中发现的微小生物，以及更小的颗粒，甚至包括盐离子。其中一种使用的技术是反渗透，也用于海水淡化厂，它通过一个孔径足够小以过滤盐的膜将水推出。 （芯片制造厂还使用较不纯净的水，类似于从家用水龙头流出的水，用于冷却制造设备。）由于水在芯片制造中的关键作用，回收和再利用废水已成为行业的优先事项。在制造厂内能够再利用的废水比例目前因公司和制造过程的不同以及对水处理的投资而有所不同。尽管如此，它们都面临着同样的基本问题：在清洗晶圆时，超纯水会被污染，需要经过彻底的清洗才能被制造厂再次使用或排入公共废水处理系统。
清理污水是一个复杂的过程，因为制造厂废水中可能存在各种污染物。光刻和蚀刻可能会产生酸性废水，并可能使其受到强力氢氟酸的污染。当晶圆变薄时，可能会出现悬浮的硅颗粒，而使用异丙醇等溶剂则可能留下有机碳残留物。
该行业已经开发出将废水中的不同组分分离出来的方法，类似于一般人口对回收废物的分类，Gradiant的联合创始人兼首席运营官Prakash Govindan说道。“当涉及到处理废水时，半导体行业实际上非常先进，”他说。“我们与的那些先进公司，包括美国跨国公司，以及我们合作的韩国和台湾公司，他们所有的公司都将废水分为至少10种，有些公司甚至分为15种或16种。”
从那里开始，废水可能会被处理以便再利用，重新引导到下水道，或者进行清洁并重定向到冷却塔。
芯片制造商正在投资改进过滤和清洁过程，以使更多的水可再利用。例如，英特尔计划到2030年全球实现净正水使用，其中一部分基于淡化海水和雨水的计划。与此同时，美光公司的目标是到本十年结束时通过“再利用、回收和恢复”实现75%的节水。Gradiant表示，通过调整反渗透过程并使用改良的专有膜，它甚至能够实现98%的水回收率。
与此同时，在行业扩张的时候，城市和地区需要为芯片工厂的到来对他们的水系统和社区可能带来的影响做好准备。风险很高。亚利桑那州的水政策专家Porter解释说，将水引入芯片制造厂的85%最终将离开设施。例如，尽管芯片工厂的到来并没有影响该州的水资源供应，但凤凰城市有一个将废水再利用为饮用水的计划。
