هل أشباه الموصلات ضارة بالبيئة؟

هناك توتر هادئ يمر عبر صناعة التكنولوجيا التي نادراً ما تصل إلى مرحلة إطلاق المنتج. تعتمد الأجهزة التي نشتريها للتنقل والتواصل والترفيه على شرائح يعد إنتاجها ضارًا بالكوكب بعدة طرق يمكن قياسها. تستهلك صناعة الرقائق كميات هائلة من الماء والكهرباء، وتطلق غازات دفيئة قوية، وتولد نفايات كيميائية تتطلب معالجة دقيقة. وفي الوقت نفسه، تساعد المنتجات التي تعمل بها هذه الرقائق على تقليل الانبعاثات عبر وسائل النقل والطاقة والزراعة. وبالتالي فإن تحديد ما إذا كانت أشباه الموصلات ضارة بالبيئة ليس سؤالاً بسيطًا. إنه سؤال حول المقايضة-والجداول الزمنية ومن يتحمل التكاليف.

 

 

أشباه الموصلات

 

البدء بالأساسيات: ما نتحدث عنه

لفهم المخاطر البيئية، من المفيد أن نتذكر ما تشير إليه الكلمة بالفعل. يأتي معنى أشباه الموصلات من الفيزياء: أشباه الموصلات هي مادة تقع قدرتها على توصيل الكهرباء بين قدرة الموصل والعازل. السيليكون، المثال الأكثر شيوعًا، يمكن تصميمه ليحمل أو يحجب التيار الكهربائي اعتمادًا على الظروف، مما يجعله لبنة البناء المثالية للترانزستورات. تشكل مليارات الترانزستورات المعبأة في شريحة واحدة الدوائر المنطقية داخل كل هاتف ذكي وخادم وسيارة وجهاز. تعد عملية التصنيع التي تنتج هذه الرقائق بمقياس نانومتري من بين العمليات الصناعية الأكثر استهلاكًا للموارد-على وجه الأرض.

 

 

الماء: التكلفة غير المرئية

النقاط الساخنة البيئية:

• استهلاك مياه فائق النقاء-.
• انبعاثات الغازات البيرفلوروكربونية
• الكهرباء من الوقود الأحفوري
• تيارات النفايات الكيميائية
• البصمة الكربونية للمعدات

تتطلب صناعة الرقائق مياهًا ذات نقاء استثنائي، أنظف بكثير من مياه الشرب، وتستخدم لشطف الرقاقات بين مئات الخطوات التي تبني طبقات الدائرة. يمكن لمنشأة تصنيع كبيرة واحدة أن تستهلك ملايين الجالونات من هذا-المياه فائقة النقاء كل يوم. تقع العديد من المصانع المتقدمة في مناطق تواجه الجفاف الشديد بشكل دوري، مما يثير تساؤلات واضحة حول ما إذا كان تحديد موقع إنتاج الرقائق في المناطق المجهدة بالمياه-أمرًا مستدامًا مع زيادة الإنتاج بشكل أكبر.

ما لا يأخذه معظم الناس في الاعتبار هو مقدار الدقة التي تستخدمها الأجهزة في إدارة تلك المياه بمجرد دخولها إلى المصانع. تعتمد دوائر المياه فائقة النقاء- على صمامات وتركيبات أنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ تفي بمتطلبات النظافة الصارمة ومقاومة التآكل-، لأنه حتى ولو كان التلوث البسيط من مواد رديئة يمكن أن يؤدي إلى إتلاف مجموعة الرقاقات. توفر الشركات المصنعة مثل LEADTEK هذا النوع من المنتجاتصمامات كروية من الفولاذ المقاوم للصدأ SS316وتجهيزات الأنابيبالتي تعتمد عليها منشآت أشباه الموصلات للتحكم في السوائل الخالية من التسرب والتلوث-في جميع أنحاء أنظمة المياه فائقة النقاء-. إنها تفاصيل نادرًا ما تظهر في العناوين الرئيسية حول البصمة البيئية لصناعة الرقائق، ومع ذلك فإن موثوقية كل صمام في الحلقة تؤثر بشكل مباشر على كمية المياه التي تهدرها الشركة المصنعة أو تستردها.

تتفاقم المخاوف بشأن المياه عندما يتم إنشاء منشآت جديدة في المناطق القاحلة أو{0}شبه القاحلة، حيث يتعرض توافر المياه العذبة بالفعل لضغوط بسبب الزراعة والنمو السكاني وارتفاع درجة حرارة المناخ. لقد أحرز صانعو الرقائق تقدمًا حقيقيًا في إعادة تدوير المياه، حيث تستعيد بعض المصانع الآن وتعيد استخدام أكثر من ثمانين بالمائة من المياه التي تستهلكها. لكن التقدم ليس مثل القرار. وحتى المياه المعاد تدويرها تحتاج إلى طاقة لتنقيتها، ويستمر الحجم المطلق للطلب في النمو مع توسع إنتاج الرقائق.

 

صمام كروي ذو حواف من الفولاذ المقاوم للصدأ من LEADTEK

 

غازات الدفيئة ربما لم تسمع عنها من قبل

ثاني أكسيد الكربون هو الغاز الدفيئة الذي يهيمن على المحادثات العامة، لكن المساهمة الجوية الأكثر إثارة للقلق لصناعة الرقائق تأتي من عائلة مختلفة من الجزيئات تمامًا. يتم استخدام مركبات الكربون المشبعة بالفلور والمركبات ذات الصلة مثل ثلاثي فلوريد النيتروجين أثناء عمليات حفر البلازما وتنظيف الغرف داخل المصانع. هذه الغازات هي مواد تدفئة قوية بشكل لا يصدق. على سبيل المثال، يحبس ثلاثي فلوريد النيتروجين الحرارة بفعالية أكبر بآلاف المرات من ثاني أكسيد الكربون على مدى فترة زمنية طويلة-قرن من الزمان، ويظل موجودًا في الغلاف الجوي لمئات السنين.

لسنوات عديدة لم يتم تضمين هذه الغازات حتى في الأطر الدولية لتتبع الانبعاثات، ويرجع ذلك جزئيًا إلى إنتاجها بكميات مطلقة صغيرة وجزئيًا لأنها لا تحتوي على مصادر طبيعية، مما يجعل من السهل التغاضي عنها. لقد تحسن الوعي بشكل كبير. يقوم كبار صانعي الرقائق الآن بالإبلاغ عن انبعاثاتهم من الغاز المفلور، واستثمروا في أنظمة التخفيض التي تدمر الغازات قبل وصولها إلى الغلاف الجوي. إن الوضع أفضل مما كان عليه قبل عقد من الزمن، ولا يزال يشكل مجالاً مشروعاً للقلق مع استمرار ارتفاع أحجام إنتاج الرقائق.

إن الأجهزة التي نعتمد عليها لتحقيق مستقبل أكثر اخضرارًا يتم تصنيعها بواسطة مصانع لديها ديونها البيئية الخاصة التي يتعين عليها تسويتها.

 

معادلة الطاقة

تعمل المصانع على مدار الساعة ولا تتوقف أبدًا. إن الآلات التي تقوم بإيداع وحفر وفحص طبقات المواد على رقائق السيليكون تحتاج إلى الطاقة بطرق يصعب تقديرها بالكامل من الخارج. يمكن لمؤسسة صناعية كبيرة واحدة أن تستهلك كمية من الكهرباء تعادل ما تنتجه مدينة صغيرة، كما أن الاستهلاك الجماعي لصناعة الرقائق العالمية ينافس استهلاك العديد من-البلدان المتوسطة الحجم. من أين تأتي تلك الكهرباء له أهمية كبيرة. تحتوي المصانع التي تعمل بالطاقة الكهرومائية أو الشمسية على شكل كربون مختلف تمامًا عن تلك التي يتم سحبها من شبكة الفحم- الثقيلة.

ولا تزال العديد من المناطق التي يتركز فيها إنتاج الرقائق المتقدمة تعتمد بشكل كبير على الوقود الأحفوري لتوفير إمداداتها من الكهرباء، بما في ذلك الغاز الطبيعي المسال، وفي بعض الحالات، الفحم. ومع نمو القدرة الإنتاجية، زاد الضغط على البنية التحتية للطاقة المحلية، وقد أثار المدافعون عن البيئة في العديد من المواقع مخاوف بشأن إنشاء توليد جديد للوقود الأحفوري خصيصًا لتلبية الطلب في صناعة الرقائق. لقد التزمت الصناعة على نطاق واسع بتوسيع نطاق شراء الطاقة المتجددة، على الرغم من أن وتيرة ومصداقية هذه الالتزامات تختلف بشكل كبير من مشغل إلى آخر.

 

الوجه الآخر للدفتر

يجب على الحساب المتوازن أن يعترف بالقصة التعويضية. تعد أشباه الموصلات جزءًا لا يتجزأ من العديد من التقنيات التي توفر المسارات الأكثر مصداقية لخفض الانبعاثات العالمية. تعتمد السيارات الكهربائية على رقائق إلكترونيات الطاقة لإدارة أداء البطارية وكفاءة الشحن. تستخدم أنظمة الشبكة الذكية الرقائق لتحقيق التوازن بين العرض والطلب على الكهرباء في الوقت الحقيقي، مما يقلل من النفايات. تعتمد إضاءة LED والمضخات الحرارية وأجهزة التحكم في توربينات الرياح ومحولات الطاقة الشمسية على الرقائق في وظيفتها الأساسية. إن وفورات الطاقة التي تتيحها هذه التطبيقات، والتي تراكمت عبر ملايين المنشآت وعقود من التشغيل، تعتبر كبيرة.

الباحثون الذين درسوا دورة الحياة الكاملة للتقنيات التي تدعم الرقائق-يجدون بشكل عام أن الانبعاثات التي يتم تجنبها بواسطة منتجات مثل السيارات الكهربائية أو أجهزة تنظيم الحرارة الذكية تفوق الانبعاثات الناتجة أثناء تصنيع الرقائق، وغالبًا ما يكون ذلك بهامش كبير. وهذا لا يعني أن تأثير التصنيع مقبول أو يمكن تجاهله. وهذا يعني أن العلاقة بين صناعة الرقائق والبيئة أكثر تعقيدًا من مجرد حكم سيء-أو-جيد.

 

كيف تبدو المساءلة

وقد بدأ أقوى المشغلين في سلسلة توريد الرقائق في التعامل مع الاستدامة باعتبارها مشكلة فنية وليس مجرد ممارسة للعلاقات العامة. أصبحت أنظمة إعادة تدوير المياه متطلبات هندسية قياسية في التصميمات الرائعة الجديدة. يتم الآن نشر معدات مكافحة الغازات المفلورة على نطاق واسع عبر المرافق الرائدة. يتسارع شراء الطاقة المتجددة، مدفوعًا جزئيًا بالتزامات الشركة الداخلية وجزئيًا بالضغط من العملاء الرئيسيين في قطاع التكنولوجيا الذين لديهم أهدافهم الصافية-الصفرية.

كما يتم تشديد القواعد التنظيمية. يتطلب توجيه تقارير استدامة الشركات الخاص بالاتحاد الأوروبي من الشركات الكبيرة الكشف عن البيانات البيئية بخصوصية متزايدة. وتؤثر قوانين الكشف عن المناخ في كاليفورنيا، والتي دخلت حيز التنفيذ على مراحل تبدأ في عام 2024، على صانعي الرقائق الذين لديهم عمليات كبيرة أو عملاء في الولاية. وتخلق هذه الأطر حوافز للقياس والتخفيض تتجاوز التعهدات الطوعية.

الإجابة الصادقة على السؤال المطروح في أعلى هذه المقالة هي أن صناعة الرقائق تحمل تكاليف بيئية حقيقية، وهي تكاليف تعمل الصناعة على تقليلها ولكنها لم تحلها بعد. وفي الوقت نفسه، تعمل الرقائق المنتجة على تمكين التقنيات التي قد تفعل في نهاية المطاف المزيد من الجهد لتقليل الانبعاثات مقارنة بالانبعاثات التي تنتجها المصانع المصنعة. لا ينبغي أن يكون الهدف هو الاحتفال بهذه المقايضة-ولكن إغلاقها، مما يجعل الإنتاج أكثر نظافة بينما تستمر التطبيقات التي تتيحها في إزالة الكربون من الاقتصاد الأوسع.