隨著人工智慧技術的不斷演進，特別是深度學習等大型模型的興起，對晶片計算資源的需求呈現指數型成長，直接導致科技產業對電力能源的大量需求。據論文〈Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing〉指出，科技產業的電力能源使用量預計在 2030 年達到全球總用電量的 20%，谷歌（Google）也指出每 3 至 4 個月左右的時間，人工智慧模型的計算需求就會翻倍，為平衡科技產業發展與能源消耗帶來一大挑戰。
硬體製造──科技產業碳排放的元兇
晶片產業對環境的影響不容小覷，記得大學時，我們電機系系上某間半導體實驗所，曾經發生毒氣「砷化氫」外洩事件，一時鬧得沸沸揚揚。由於該氣體有致命危險，事件發生後總共有 44 人預防性就醫。由此可知，半導體產業其實牽涉到許多高汙染性物質，造成水汙染、空氣汙染甚至威脅人體健康等，其中來自製造硬體、晶片形成的碳汙染，更與導致全球氣候變化的「碳排放」密不可分。
我們都知道石油汽車產業對全球暖化的影響。事實上，不只是開車時燃燒石油會製造二氧化碳，石油的挖取加工、運送、甚至是你去加油的動作，都會排放大量的二氧化碳。因此，我們可以將二氧化碳的來源分成兩大部分：硬體原料製造跟產品使用。由於石油引擎的能源轉換效率只有 30% 左右，電動車則高達 80%，電動車的發展對於改善汽車產業在「產品使用」上的碳排放有相當大的幫助。
同樣地，科技產業的碳排放也可以區分為硬體原料製造跟產品使用。以 iPhone 為例，其效能越來越進步的同時，耗能也越來越多，科學家為此挹注很多資源減少產品耗能，碳汙染的比例因此大部分落在硬體的製造與取得。從下圖可以看到 Apple 所有產品在各個環節中所佔的碳排放比例，「硬體製造（Manufacturing）」以四分之三的比例佔最大宗，其中晶片（Integrated Circuit）又是主要的碳排放來源，產品使用 (Product Use) 的部分則相對較少、約佔 19% 的排放量。
根據論文研究，Apple 一年約排放 2,500 萬噸的二氧化碳，其中有三分之一源自於晶片製造，包含處理器、記憶體（DRAM）及硬碟（Flash）等電子產品中最重要的晶片元件。除此之外，從晶片原料的取得、加工、製造到汙水處理，整個晶片廠的運作也需要大量的能源支持，非常耗能。
但為何產品使用的排放量只佔 19% 呢?
「綠能化」的晶片與資料中心
前面有提到，為了追求行動裝置更長的電池使用時間，科技業不斷地針對電子產品進行運算能源效益（Performance per Watt）的優化，從晶片的設計尋求效能強功耗低的解決方案。以 iPhone 最新的 A15 晶片及其上一代 A14 晶片做比較，在耗能不變的情況下，新一代晶片的運算能力增加 20%，換言之，假設全台 iPhone 從 14 更新到 15，總運算效能可以提升 20%，但產品使用的總碳排放量不變。這讓 iPhone 得以更省能地運行軟體，或者支援更多的功能滿足消費者的需求。
另一方面，相信各位也常常聽到雲端計算、資料中心等名詞。這些東西主要不在使用者端運行，而是由背後一群的計算、儲存晶片串接在一起，利用網路服務大量的使用者。這些中心也是全球的能量巨獸！大家回想一下小學的電腦教室，是不是冷氣都沒有停過、夏天一進去就有消暑的快感？原因正是因為大量的電腦需要在低溫環境保持正常運作。同樣的道理套用在這些計算資料中心，除了本身晶片計算的耗能外，還需要完善的冷卻系統，解決因大量計算產生的熱能。
不過，我們人類也不是省油的燈。你仔細去想，候鳥會利用什麼方法度過寒冬、溽夏呢？答案就是遷徙！大自然即是最棒的溫度調節系統。
企業很聰明的利用地理環境的優勢，在高緯度的芬蘭設置計算、資料中心，善用當地寒冷的氣候幫這些能量巨獸降溫。此外，微軟在 2022 年還嘗試將資料中心產生的熱能加以轉化、提供居民暖氣，一石二鳥的做法加倍解決碳排放的問題，成就「綠能」資料中心的發展。
台積電面臨的挑戰
前面講了許多國外在發展綠能、減少碳排放量的做法，那麼台灣呢？在討論碳排放之前，值得注意的是截至 2023 年上半年，台灣在全球半導體產業的收益佔比超過 6 成，規模高達 200 億美金（全球總收益約 310 億美金），其中以台積電為最大宗，凸顯台灣在全球半導體產業的份量。台積電在晶片製造綠能化方面的努力，不僅有助於減緩氣候危機，更對保護台灣免受晶圓廠汙染負有重要責任。
首先，晶圓廠需要大量的水與電。根據統計，台積電約使用全台 5% 到 7% 的電力，每天要 15 萬噸的乾淨純水。這些水資源最終變成汙水，需要透過汙水處理廠進行安全排放，種種的操作都產生大量的碳足跡，也可能影響台灣民眾用水用電，造成民生問題。而在 2019 年，台積電來台大電機徵才時即提到利用再生能源興建零排放的晶圓廠計畫，並設定在 2050 年達成淨零排放。當時身為學生的我，第一個想法是台積電竟然有默默在尋找綠能化的解決方案；他們對工廠設計、電力來源、汙水處理等環節的著墨，也相當令我驚艷！
自然，隨著 Apple 要求供應鏈 2030 年達成淨零排放的環保倡議，身為產業龍頭的台積電，或多或少也有龐大的壓力，促使其設置零排放晶圓廠的計畫；台積電對完成此目標也相當有信心，今（2023）年甚至宣布要將完工計畫提前至 2040 年。
半導體的高速發展雖然帶動了科技產業的進步，提供人們更便利的生活，但其對環境的影響也不容忽視。一片微小的晶片背後囊括數十億顆電晶體，是由複雜的原料、機具和能源製造而成，科學家們也正不斷改良每個生產環節，減少碳排放。作為科技人，我們首先能做的，就是通過節約用水、減少能源浪費等方式，為環境保護做出積極的貢獻。
執行編輯：林鈺芩
核稿編輯：趙思涵
