毕竟，台积电是世界上最有价值的公司之一。它运作最先进的芯片工厂群，提供世界上大多数先进的芯片产品，支持最智能的智能手机、最强大的数据中心和最强大的人工智能模型。占据市场 80% 份额的 Nvidia GPU 大部分是台积电芯片。2023年，芯片制造商的出货量占台湾出口的13.4%，创造了台湾GDP的7.3%。
但台积电晶圆厂给这个陷入困境的国家带来的不仅仅是金钱，安全专家称之为台湾硅盾。美国不会让台湾先进的芯片工厂落入中国的控制之下，中国大陆也不会冒着因入侵台湾而摧毁晶圆厂而造成经济破坏的风险，至少逻辑是这样的。
来台湾的游客很快就会明白为什么需要这个防护罩。城市建筑和台湾战斗机上随处可见的防空洞标志头顶上轰隆隆作响，解放军频频演练两岸突击。所有这些都提醒我们，中国认为这个蓬勃发展的民主国家属于中华人民共和国。中国并不孤单。只有11个国家和梵蒂冈正式承认台湾独立。
因此，维持台积电以及维持公司运转的大量且不断增长的电力已成为台湾的一项高风险的当务之急。2017 年至 202230 年间，台积电的用电量增长了 85%，是台湾整个工业部门的用电量增长速度的两倍。明年台积电占台电份额预计将达到 12.5%，是 2020 年消耗量的两倍。按照这个速度，台积电的用电量很快将超过台湾所有家庭的用电量总和。
此外，在具有气候意识的全球市场中，台积电从哪里获取能源与消耗多少能源同样重要。苹果、谷歌和英伟达等委托生产微芯片的科技巨头现在将碳减排置于首要位置和中心位置，他们预计台积电等供应商也会效仿。当地环保倡导者也要求清洁能源供应。
在彰化沿海工业园区的这个角落，一个 100 兆瓦的太阳能发电厂和其中 4 个园区的 80 台陆上风力涡轮机遍布填海土地。正在建设中的控制设施将处理 31 台 9.5 兆瓦风力涡轮机的能源，这些风力涡轮机也在建设中，距台湾海峡海岸约 20 公里。彼得·费尔利
这些影响给台积电和联华电子等其他台湾芯片制造商带来了压力，而这些制造商反过来又一直敦促政府部署更多的可再生能源。作为回应，台湾政府正在大力发展太阳能和海上风电，以实现雄心勃勃的可再生能源目标。但它也坚持到 2025 年逐步淘汰核电的计划。这个最后期限，加上市场力量和反对风能和太阳能装置的社会政治逆风，意味着台湾芯片制造商的电力需求正在超过该国向低碳电力转型的速度。
这种令人兴奋的商业和地缘政治压力迫使台积电高管签署风能和太阳能大合同，有时为了权宜之计而放弃承受能力。公司的目标是到 2030 年，其 60% 的能源将来自可再生能源，到 2040 年，这一比例将达到 100%，而去年这一比例仅为 11%。台积电高级副总裁兼可持续发展主管 Lora Ho 表示：我们当然关心成本，但我们更关心供应。
台积电于 1987 年成立，当时台湾政府邀请了电气工程师和前德州仪器高管张忠谋创办一家芯片制造公司。张后来获得了 IEEE 荣誉勋章，设想了一种新的商业模式：客户将设计自己的芯片，而台积电将制造它们。也就是说，它将是一家合同芯片代工厂。
这个模型的效果非常好。以及由此产生的产量赋予台积电无与伦比的技术掌握。台积电制造的芯片越多，它就能越快地学会如何调整工艺以使其变得更好，并通过更精细的功能来提高性能。台积电与工具制造商合作，使用更小的波长来图案化和蚀刻掉硅，从而缩小了晶圆上留下的特征。
到明年年底，昌邑开关站走廊上的 22 套气体绝缘 161 kV 开关设备将从台湾海峡海上风电场接收 2.5 吉瓦的电力。彼得·菲尔利
随着全球对其芯片的需求飙升以及工艺的复杂性不断增加，台积电的能源消耗呈爆炸式增长。实现台积电所需的最佳功能极紫外光和额外的晶圆清洗步骤，会消耗每个蚀刻晶圆更多的电力和水。2017年至2022年间，台积电的能源消耗几乎翻了一番，达到约21,000吉瓦时。在同一五年期间，台湾所有其他能源用户（包括城市和其他行业）的消耗几乎没有变化。
这一跳跃甚至让台积电也感到惊讶。2019年，台积电的功耗超出了自己的预测30%。由于台湾五分之四的电力来自化石燃料，台积电的碳足迹也随之增加。2023 年，该公司排放的 1180 万吨碳中，86% 来自电力消耗，比 200 万辆汽车一年产生的碳还要多。
台积电晶圆厂为这种四面楚歌的状态提供了安全专家所说的“台湾硅盾”。
巨大的碳足迹损害了谷歌和苹果等全球科技公司的声誉，这些公司正在向供应商施压，要求他们为自己的环境、社会和治理（ESG）计划设定高标准。当苹果开始谈论 ESG 时，我们开始紧张，台积电前董事长，刘马克 (Mark Liu) 在 2021 年告诉台湾《天下》杂志。此后不久，苹果要求包括台积电在内的主要制造合作伙伴在 2030 年之前实现苹果足迹脱碳。
对于台积电这样规模的公司来说，这并不是一个容易的要求。在台湾，台积电运营着商业超级晶圆厂，在四个地点加工直径 300 毫米的晶圆，以及五个使用较小晶圆的旧晶圆厂。大部分位于台中、新竹和南部城市台南，还有更多正在建设中。台积电还在中国、美国、日本和德国运营或正在建设晶圆厂。
台积电领导人坚称，他们正在尽一切努力使公司的能源消耗走上可持续发展的道路。今年早些时候访问台积电期间，IEEE Spectrum 深入了解了该公司在台中占地 510,000 平方米的巨型晶圆厂 Fab 15 所做的节能改造。洁净室及其严密保护的知识产权是禁止进入的，但一公里长的步行道展示了围绕和支持晶圆加工操作的设施。即使是有限的旅行也需要放弃所有个人电子产品，包括在门口被没收的被遗忘的智能手表。
在电流的嗡嗡声和回声中，一位年轻的设施工程师描述了巨型电池，在停电期间可为整个工厂供电长达 5 分钟，同时大型备用柴油发电机启动。几十年来，台积电通过以下方式为进入其洁净室的所有电力供电：电池上游和下游的整流器和逆变器，可以消除线路电压的任何骤降或浪涌，并在电网出现故障时保证不间断供电。该装置将电网电力转换为直流电，然后将其转换回交流电，消耗了工厂 6% 的电力。
2016 年，台积电工程师证明他们可以在电池周围传输电力，从而避免 24/7 转换。相反，工程师发现，转换器只有在感觉到问题时才会启动。此电力旁路是台积电在其其他晶圆厂实施的行业首创，每年为 Fab 15 节省高达 89 GWh 的电力。
台电工程师在彰化滨海工业园区昌邑开关站控制室监控电路。徐安荣
Fab 15 发明的另一项重大升级是用于闲置的控制系统尽可能在洁净室中使用高频真空泵——其工程师与圣克拉拉应用材料公司合作开发。Fab 15 副总监 Howard Ting 表示，循环泵而不是不间断运行每年可节省 13.4 GWh，如果在台积电位于台湾的四个最大工厂实施，预计将节省 82 GWh。
最近正在申请专利的 Fab 15 创新利用机器学习和人工智能，而不是工程师的最佳猜测来优化台中工厂大型冷水机组的运行。这种策略每年节省的电量相对较少，为 2.8 GWh，但随着系统学会如何更有效地运行，它可能会超过这个数字。
台积电 ESG 委员会主席 Ho 表示，这些措施以及数百项措施正在使每个新芯片制造工艺在推出后五年内的效率提高一倍。事实上，公司数据显示，它实际上可以做得更好：使用台积电 7 纳米一代的晶圆厂五年内每片晶圆的能耗减少了 60%。
但这样的进展很难得到保证。例如，台积电 5 纳米晶圆厂的效率迅速提高，但由于晶圆厂利用率低于预期，去年该工艺运行第四年突然陷入困境。
台积电的计划还包括采购可再生能源。该公司领导人表示，他们希望到 2030 年将排放量减少到公司 2020 年的水平。但何在台积电新竹总部接受采访时承认，鉴于台积电的消费激增，只有清洁能源才能大幅减少碳排放。为此，台积电正在通过风能和太阳能项目的长期合同来实现能源供应的绿色化。“我们不投资，但我们是大客户，”她说。
2020年，台积电签约与丹麦电力开发商达成了一项大规模可再生能源采购协议，确保了 920 兆瓦海上风电场的所有输出。建设工程于去年开始，涡轮机可以在明年年底前为彰化沿海工业园区的大型输电线路提供清洁电力。此后，台积电签署了更多此类合同，并邀请其供应商合作，集中资源进行更大的购电交易。
2024 年 3 月 6 日，台积电高级副总裁 Lora Ho 在公司新竹总部停下来拍照。Peter Fairley
台积电的电力合同可帮助独立可再生能源开发商获得融资。但最终，政府政策的负担是吸引和支持这些开发商，何说，包括帮助他们克服阻碍进展的挑战，例如难以获得当地批准和太阳能项目用地。
政府最高层有强烈意愿为台湾带来绿色能源。然而，在地方层面，这仍然相当具有挑战性，他说Leo Seewald 是台北太阳能开发商 New Green Power 的董事长。这些挑战迫使开发人员发挥更多创造力。包括 NGP 在内的许多公司已转向军民两用项目，例如与水产养殖池共享空间的太阳能电池阵列。
与此同时，海上风电的增长受到供应链紧张、融资困难和捕捞冲突的困扰。台湾的风电开发商还面临政府要求使用本地制造的组件和中国的武力威胁，这让投资者感到不安。
何说，台积电非常担心时间表的延误，并恳求制定政策，说服全球能源开发商将有限的资源集中在台湾。她表示，台湾制造的海上风电强制令等政策必须排在加速清洁能源发展的第二位。
政府官员表示，他们听到了台积电的请求。“我们台湾有一个非常重要的产业，我们希望能够满足这个产业的需求。”曾文胜，国营电网运营商台湾电力公司董事长。在 Spectrums 访问期间，曾在 27 层的台电大厦顶楼（曾经是台北最高的大楼）的办公室里召集了一群台电高管和助手。
曾表示，台湾的能源供应比执政党的政治对手在一月份最近一次全国选举前所声称的更加安全。他说，因 COVID-19 大流行而搁置的海上风电项目已重回正轨。到 9 月，台湾预计将有 2.4 吉瓦的海上风电装机容量运营，另有 525 兆瓦的装机容量，使其成为据台湾能源管理局称，该国是亚洲民主国家的领导者。另外 3 吉瓦正在建设或即将建设。彭博新能源财经预计，到 2040 年，台湾将拥有全球第六大海上风电装机容量，亚洲第二大海上风电装机容量。
台积电位于台中的 Fab 15 工厂是台湾四座超级工厂之一。2027 年该工厂的扩建将使其成为台积电最先进的工厂之一。I-Hwa Cheng/Bloomberg/Getty Images
因此，政府预计到 2026 年，可再生能源发电量占台湾电力结构的比例将从去年的 9.5% 增加一倍以上，达到 20%。通过为开发商满足项目要求提供灵活性，政府促使更多开发商竞标台湾的海上风电站点。在最近的一次拍卖中，曾表示：增长曲线非常陡峭。
政府还对可再生能源进行了长期投资，例如迅速扩大地热发电（一种位于太平洋火环带上的资源）。曾表示，今年，官员们格外重视扩建燃气发电厂。这些紧凑、快速建造的工厂可快速提高产能。而且它们的输出灵活，这将有助于台湾随着可再生能源发电的增长平衡供需。但挑战在于燃料：台湾天然气稀缺，而将液化天然气 (LNG) 进口码头数量增加两倍的计划已落后于计划。
台湾政府当然热衷于扩大可再生能源和燃气电力来源。但目前该岛在核电方面正朝着相反的方向发展。台湾前总统蔡英文2016年发誓要逐步淘汰核电。此后，台湾三座核电站中的两座在 40 年运营许可证到期后开始退役。
唯一仍在运行的核电站是台湾南端的马鞍山核电站，7 月关闭一座反应堆，并计划于 2025 年 5 月许可证到期时关闭另一座反应堆。台电副总裁郑庆洪 (Anthony) Cheng 表示，关闭这两项服务将导致台电每年损失 370 亿新台币（11 亿美元），而台电每年损失近 2000 亿新台币（61 亿美元）。因此，延长马鞍山核电站的寿命将延长其无碳发电，但无法弥补台电的财务缺口。程说，我们仍然损失很多。
目前尚不清楚马鞍山的业务是否会因今年台湾新总统赖清德当选而带来的新政治格局得以挽救。核电让他的政党——民进党陷入了困境。长期以来，它一直将核反应堆视为中华民国创始人蒋介石中止的原子武器计划的遗产，该计划是在他的军队于 1949 年撤退到台湾近 20 年后启动的。同样地震频发的日本发生的福岛反应堆熔毁事件强化了该党的反核立场。
台湾政府能源与碳减排办公室副主任、台北国立台湾大学政治学教授林子联表示，这可能是台湾最困难的公共政策问题。然而，两个反对党可能会迫使政府采取行动。选民们让他们在台湾议会中获得多数席位，两党都支持让马鞍山保持在线状态。
当台湾领导人努力推动核能替代方案并满足不断增长的能源需求时，公民活动人士和环保主义者继续强调他们对半导体行业的首要关注：污染。由于台中一座 4,950 兆瓦的燃煤电厂老化，台湾中部的情况尤其严重。该发电站是台湾最大的燃煤发电站，也可能是世界上最脏的发电站，因为它使用过时、低效的设备。
尽管吸烟率下降，但肺癌最近成为台湾最致命的癌症。台中的医学专家和社区活动人士将空气污染归咎于该市高耗电的晶圆厂，并预计台积电 15 号晶圆厂在 2027 年扩建开始时将占台中至少 38% 的电力消耗。今年早些时候批准的扩建计划未能成功，因为他们担心这会扩大台电的煤炭习惯。
我们并不反对半导体行业。台积电是保护我们国家的硅盾牌。但我们担心他们使用肮脏的电力，”研究员赵惠林说。台湾空气清洁组织，由一群医生和研究人员组成，致力于对抗台中电力、钢铁和化工厂的空气污染。她说，他们有责任，因为他们有创新精神并且有钱。
台积电领导人坚称，他们正在尽一切努力使公司的能源消耗走上可持续发展的道路。
台湾国立中央大学管理学教授梁启源表示，活动人士的担忧是有道理的。曾任国民党能源部长、经常批评台湾民进党政府的梁振英也认为，扩建工厂将阻碍燃煤电厂的退役。梁补充说，自 2017 年以来的五次大停电以及能源需求和延误的结合表明，台湾正处于能源供应危机之中。在台积电正在海外扩张、芯片制造商受到马来西亚、泰国和越南的青睐之际，它抑制了在台湾的投资。
台电的郑表示，对电力短缺的担忧是多余的，这种担忧掩盖了电网设计和运营方面更根本的挑战。他的公司直到现在才完全认识到这一需求上一次大型电网故障发生在 2022 年，导致台湾南部大部分地区停电 12 小时。程说，这对电网规划提出了非常大的问题。他说，这次停电始于一个大型变电站的人为错误，暴露了对通过台电电网骨干网长距离输送电力的大型发电厂的过度依赖。
为了提高风能和太阳能发电的可靠性，台电对台湾电网进行了彻底的重组。2022 年停电后不久，宣布耗资 5,646 亿新台币、为期 10 年的输电改造，将使为台北和台积电集中在新竹附近的晶圆厂供电的干线容量增加两倍。
但台电还寻求通过建立区域控制中心等方式，使各地区更加独立，并能更好地应对停电。它还增加了直接连接发电区和工业区的电路，以保护台湾工厂免受电网中断的影响。
有一点是肯定的：独立的台湾不能承受能源供应出错的后果。这使得台积电和台电在未来几个月的能源选择可能至关重要，而不仅仅是为了保护这个脆弱的岛国。控制人工智能芯片的供应也可能影响地缘政治的未来。
特别感谢 Yu-Tzu Chiu 和 Hui-Chen Lin 对本文的协助。
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