Vuoi vincere una guerra dei chip? Avrai bisogno di molta acqua
Per vincere la guerra dei chip, serve molta acqua
Costruire una fabbrica di semiconduttori richiede enormi quantità di terreno e energia, e poi alcune delle macchine più precise sulla Terra per funzionare. La complessità delle fabbriche di chip, come vengono chiamate, è una delle ragioni per cui il Congresso degli Stati Uniti l’anno scorso ha impegnato più di 50 miliardi di dollari per aumentare la produzione di chip negli Stati Uniti al fine di rendere il paese più indipendente dal punto di vista tecnologico. Ma mentre gli Stati Uniti cercano di avviare più fabbriche di chip, hanno anche bisogno di ottenere una risorsa meno ovvia: l’acqua. Prendiamo il piano ambizioso di Intel di costruire un mega-sito da 20 miliardi di dollari al di fuori di Columbus, Ohio. L’area dispone già di tre impianti di trattamento dell’acqua che forniscono complessivamente 145 milioni di galloni di acqua potabile al giorno, ma le autorità stanno pianificando di investire pesantemente in un quarto impianto per, almeno in parte, ospitare Intel.
L’acqua potrebbe non sembrare un ingrediente convenzionale nella produzione di dispositivi elettronici, ma svolge un ruolo essenziale nella pulizia dei fogli, o wafer, di silicio che vengono tagliati e lavorati per diventare chip informatici. Secondo il Georgetown Center for Security and Emerging Technology (CSET), una singola fabbrica potrebbe utilizzare milioni di galloni in un solo giorno, circa la stessa quantità di acqua di una piccola città in un anno.
Le aziende di chip che sperano di beneficiare del CHIPS and Science Act, il pacchetto di spesa federale dell’anno scorso che mira a stimolare la produzione di chip negli Stati Uniti, stanno ora costruendo nuovi impianti di trattamento dell’acqua accanto alle loro fabbriche. E le città che cercano di attrarre nuove fabbriche finanziate dalla legge stanno studiando l’eventuale impatto sulle loro forniture di acqua. In alcuni luoghi potrebbe essere necessario garantire l’approvvigionamento di acqua; in altri, è necessario installare nuove infrastrutture per riciclare l’acqua utilizzata dalle fabbriche.
“I leader locali devono impegnarsi in conversazioni sincere con il personale delle risorse idriche della loro città e con il personale dello sviluppo economico per garantire che qualsiasi nuovo utente ad alto volume sia adatto alla comunità”, afferma Sarah Porter, direttrice del Kyl Center for Water Policy presso l’Arizona State University.
In alcuni luoghi, gli aggiornamenti delle infrastrutture idriche dovuti alle fabbriche sono già in corso. Columbus prevede di aprire il suo quarto impianto di trattamento dell’acqua in qualche momento del 2028, pochi anni dopo che il sito di Intel è programmato per iniziare a produrre i suoi primi chip. La città afferma che è necessario un nuovo impianto di trattamento dell’acqua, che raccoglierà l’acqua dal vicino fiume Scioto, per sostenere la crescita della popolazione della zona, compresa Intel, che diventerà il maggiore consumatore di acqua della zona.
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A diversi stati di distanza, nell’arida Arizona, la più grande azienda di chip contract manufacturing, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), ha in programma di costruire un nuovo impianto di riciclaggio dell’acqua per sostenere le sue nuove fabbriche in costruzione a Phoenix, mentre sembra anche ottenere acqua da fiumi e infrastrutture idriche nelle vicinanze. In preparazione per una fabbrica da 100 milioni di dollari costruita dal produttore di chip di memoria Micron nello stato di New York, ci sono già enormi serbatoi di stoccaggio dell’acqua, ognuno dei quali può contenere circa 15 milioni di galloni.
La sete dell’industria dei chip per l’acqua deriva dalla necessità di mantenere i wafer di silicio liberi anche delle più piccole particelle di polvere o detriti per prevenire la contaminazione dei loro componenti microscopici.
Per dare ai chip i loro circuiti caratteristici, le fabbriche utilizzano strumenti di litografia incredibilmente potenti, che incidono modelli intricati sui fogli di silicio chiamati wafer. Alla fine, questi grandi dischi di silicio lavorato devono essere tagliati in chip informatici individuali abbastanza piccoli da essere confezionati nei nostri telefoni e computer. Durante questi processi, i chip accumulano residui che devono essere rimossi lavandoli via con acqua.
Il volume richiesto può essere enorme. Negli Stati Uniti, le fabbriche di chip utilizzano molta meno acqua rispetto alle industrie agricole e di generazione di energia, e i semiconduttori non hanno generato tensioni politiche sulle risorse idriche a livello nazionale, afferma Chris Miller, professore di storia presso la Tufts University nel Massachusetts e autore del recente libro Chip War. Tuttavia, le restrizioni sono state motivo di preoccupazione nella patria di TSMC, Taiwan, dove le siccità hanno messo contro i contadini locali, che hanno visto spegnersi i loro sistemi di irrigazione, il produttore di chip.
Non basta qualsiasi acqua. Proprio come l’aria all’interno di una fabbrica di chip deve essere così priva di polvere che le persone devono indossare tute che le avvolgono completamente, l’industria dei semiconduttori utilizza una categoria speciale di acqua “ultrapura” per pulire i wafer di silicio durante tutto il processo di produzione. Mentre l’acqua potabile standard potrebbe avere una purezza di 100-800 microsiemens per centimetro, una misura di conducibilità elettrica utilizzata come un indicatore di contaminazione, l’acqua ultrapura ha meno di 0,055 microsiemens per centimetro, secondo Gradiant, una startup di riciclaggio dell’acqua con sede a Boston che lavora con produttori di chip. L’acqua ultrapura deve avere una conducibilità estremamente bassa, che corrisponde a un numero molto piccolo di ioni problematici o atomi carichi.
“Se si desidera ottenere la massima prestazione possibile del materiale, molto spesso è necessario raggiungere una purezza estrema”, dice Grace Xing, professore di ingegneria elettrica e informatica di Cornell, che dirige anche un nuovo centro di ricerca sui semiconduttori chiamato SUPREME. “Questo è uno dei motivi per cui l’industria dei semiconduttori richiede molta acqua”.
La produzione di acqua ultrapura è un processo multistadio che rimuove una varietà di contaminanti, inclusi microbi e altre creature microscopiche che si possono trovare negli oceani e nei laghi, così come particelle più piccole, incluso anche ioni di sale. Una tecnica utilizzata è l’osmosi inversa, anche utilizzata nelle centrali di dissalazione, che prevede di far passare l’acqua attraverso una membrana con pori sufficientemente piccoli da filtrare i sali. (Le fabbriche di chip utilizzano anche acqua meno pura, simile a quella che scorre dai rubinetti domestici, per raffreddare gli apparecchi di produzione.) Dato il ruolo cruciale dell’acqua nella produzione di chip, il recupero e il riutilizzo delle acque reflue sono diventati una priorità per l’industria. Più acqua può essere riutilizzata all’interno di una fabbrica, meno necessità di attingere all’approvvigionamento idrico locale. Al momento, la proporzione di acque reflue che possono essere riciclate varia tra le aziende e le fabbriche, a seconda dei processi di produzione in uso e degli investimenti nel trattamento dell’acqua. Tuttavia, tutte si trovano di fronte allo stesso problema di base: mentre le wafer vengono pulite, l’acqua ultrapura diventa contaminata e richiede una pulizia approfondita prima di poter essere riutilizzata da una fabbrica o scaricata in un sistema di trattamento delle acque reflue pubblico.
Pulire l’acqua sporca è un processo complicato perché nelle acque reflue delle fabbriche possono essere presenti una miriade di contaminanti. La litografia e l’incisione possono produrre acque reflue acide, e possono persino contaminarle con acido fluoridrico potente. Le particelle di silicio sospese possono comparire quando le wafer vengono sottilizzate, mentre l’uso di solventi, incluso l’alcool isopropilico, può lasciare residui di carbonio organico.
Il settore ha sviluppato modi per separare diversi componenti di queste acque reflue, simili a come la popolazione generale separa i materiali riciclabili, afferma Prakash Govindan, cofondatore e COO di Gradiant. “L’industria dei semiconduttori è in realtà molto avanzata quando si tratta di trattare le acque reflue”, afferma. “Le aziende avanzate, le multinazionali americane con cui collaboriamo, ma anche le aziende coreane e taiwanesi con cui collaboriamo, tutte segregano le loro acque reflue in più di 10 tipi, almeno, e alcune di esse in 15 o 16.”
A partire da lì, queste acque reflue potrebbero, ad esempio, essere trattate per il riutilizzo, reindirizzate verso un sistema fognario o pulite e reindirizzate verso torri di raffreddamento.
I produttori di chip stanno investendo nel miglioramento del processo di filtrazione e pulizia per rendere più acqua riutilizzabile. Intel, ad esempio, punta a un utilizzo netto positivo dell’acqua a livello globale entro il 2030, anche sulla base dei piani per dissalare e trattare l’acqua di mare e l’acqua piovana. Micron, nel frattempo, mira a conservare il 75 percento attraverso il “riuso, il riciclo e il ripristino” entro la fine del decennio. Gradiant afferma che, sperimentando con il processo di osmosi inversa e utilizzando una membrana migliorata di proprietà, è persino riuscita a ottenere un tasso di recupero dell’acqua del 98 percento.
Nel frattempo, in un periodo di espansione del settore, le città e le regioni devono prepararsi a ciò che l’arrivo di una fabbrica di chip potrebbe significare per i loro sistemi idrici e comunità. Gli enjeu sono elevati. Circa l’85 percento dell’acqua convogliata in una fabbrica di chip lascia infine l’impianto, spiega Porter, l’esperto di politiche idriche dell’Arizona State. Ad esempio, sebbene l’arrivo delle fabbriche di chip non abbia avuto un impatto sulla disponibilità di acqua nello stato, la città di Phoenix ha un piano per trasformare le acque reflue in acqua potabile.
