칩 전쟁에서 승리하고 싶다면, 많은 물이 필요하다.
칩 전쟁 승리하려면 많은 물 필요.
반도체 공장을 건설하기 위해서는 막대한 양의 토지와 에너지가 필요하며, 지구상에서 가장 정밀한 기계들이 작동해야 합니다. 칩 팹이라고도 불리는 반도체 공장의 복잡성은 미국 의회가 작년에 500억 달러 이상을 투자하여 미국의 칩 생산을 촉진하고 국가적으로 기술적으로 독립적이 되도록 하기 위한 이유 중 하나입니다. 그러나 미국이 더 많은 팹을 가동시키기 위해서는 덜 명백한 자원인 물을 더 많이 확보해야 합니다. 예를 들어 인텔은 200억 달러 규모의 거대 사이트를 오하이오 주 콜럼버스 외곽에 건설하기 위한 야심찬 계획을 세우고 있습니다. 해당 지역은 이미 하루에 1억 4천 5백만 갤런의 생수를 제공하는 세 개의 수도 시설이 있지만, 관계자들은 적어도 일부를 인텔의 수용량 확장을 위해 투자할 계획입니다.
물은 전자 제조에 있어서 전통적인 재료로 들리지 않을 수 있지만, 실리콘 시트인 웨이퍼를 세척하여 컴퓨터 칩으로 가공하는 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 조안타운 센터의 센터 즈 포 세큐리티 앤드 에머징 테크놀로지(CSET)에 따르면, 한 개의 팹은 하루에 수백만 갤런의 물을 사용할 수 있으며, 이는 작은 도시의 1년간 사용량과 같습니다.
지난 해 연방 지출 패키지인 CHIPS 및 Science Act의 혜택을 받기 위해 칩 회사들은 이제 팹과 함께 새로운 물 처리 시설을 건설하고 있습니다. 또한, 이 법에 의해 지원되는 새로운 공장을 유치하려는 도시들은 그들의 물 공급에 대한 잠재적인 영향을 연구하고 있습니다. 어떤 곳에서는 물 공급을 확보하는 것이 필요할 수 있고, 다른 곳에서는 팹이 사용하는 물을 재활용하기 위한 새로운 인프라를 설치해야 합니다.
“지역 지도자들은 자신들의 도시의 물 자원 담당자와 경제 개발 담당자들과 솔직한 대화를 나누어야 합니다. 그렇게 함으로써 새로운 고용량 사용자가 지역 사회와 잘 어울리는지 확인할 수 있습니다.”라고 애리조나 주립 대학교의 카일 워터 정책 센터 디렉터인 사라 포터는 말합니다.
일부 지역에서는 팹으로 인한 물 인프라 개선이 이미 진행 중입니다. 콜럼버스는 인텔 사이트가 처음 칩 생산을 시작한 지 몇 년 후인 2028년에 네 번째 수도 처리 시설을 개장할 계획입니다. 이 도시는 근처 스코토 강에서 물을 모으는 새로운 수도 시설이 필요하다고 밝혔는데, 이는 인텔을 비롯한 해당 지역의 인구 증가를 지원하기 위한 것입니다. 인텔은 해당 지역에서 가장 많은 양의 물을 소비할 예정입니다.
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건조한 아리조나에서는 세계 최대의 계약 칩 제조업체인 대만 반도체 제조업체 (TSMC)가 피닉스에서 건설 중인 새로운 팹을 지원하기 위해 새로운 물 재활용 시설을 건설할 계획입니다. 동시에 근처 강과 물 인프라에서 일부 물을 확보하는 것으로 보입니다. 또한, 뉴욕 주에서 메모리 칩 제조업체인 마이크론이 건설할 1억 달러 규모의 팹을 준비하기 위해 이미 약 1500만 갤런을 수용할 수 있는 대형 물 저장 탱크가 설치되어 있습니다.
칩 산업의 물에 대한 갈망은 실리콘 웨이퍼를 먼지나 이물질로부터 완전히 청소하여 미세한 구성 요소가 오염되지 않도록 해야 하는 필요성에서 비롯됩니다.
칩 팹은 칩에 특징적인 회로를 부여하기 위해 실리콘 웨이퍼에 복잡한 패턴을 새기는 매우 강력한 리소그라피 도구를 사용합니다. 결국, 이러한 가공된 실리콘의 큰 원판은 우리의 전화기와 컴퓨터에 포장될 수 있을 정도로 충분히 작게 슬라이스되어야 합니다. 이러한 과정에서 칩은 물로 세척하여 남아 있는 잔여물을 제거해야 합니다.
필요한 양은 엄청나게 많을 수 있습니다. 미국에서는 칩 팹이 농업 및 발전 산업보다는 훨씬 적은 양의 물을 사용하며, 반도체는 국가적 규모에서 물 자원에 대한 정치적 긴장을 일으키지 않았다고 말하는 매사추세츠 주 튜프츠 대학교의 역사 교수이자 최근에 출간한 Chip War라는 책의 저자인 크리스 밀러는 말합니다. 그럼에도 불구하고, TSMC의 본사인 대만에서는 지역 농부들이 자신들의 관개 시스템이 차단되어 물을 공급받지 못했다는 이유로 칩 제조업체와 갈등이 발생한 가두기가 걱정되었습니다.
어떤 물이든 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 칩 팹 내부의 공기는 사람들이 전신을 덮는 커버올만큼 먼지 없이 깨끗해야 하듯이, 반도체 산업은 실리콘 웨이퍼를 제조 과정 전반에 걸쳐 청소하기 위해 특수한 범주의 “초순수” 물을 사용합니다. 일반 음용수는 100에서 800 마이크로시멘스/센티미터의 순도를 가지며, 이는 오염의 하나의 지표로 사용되는 전기 전도도의 측정값입니다. 그에 반해, 초순수 물은 0.055 마이크로시멘스/센티미터 이하의 전기 전도도를 가지며, 이는 Gradiant라는 보스턴에 기반을 둔 물 재활용 스타트업이 칩 제조업체와 함께 작업하는 것에 따르면, 극히 낮은 전도도를 가져야 하며, 이는 문제를 일으키는 이온이나 전하를 가진 원자의 수가 매우 적은 것을 의미합니다.
“물질의 최상의 성능을 얻고자 한다면, 종종 극도로 순도를 높여야 합니다.”라고 말하는 코넬 대학교의 전기 및 컴퓨터 공학 교수이자 SUPREME라는 새로운 교차 대학 반도체 연구 센터를 지휘하는 그레이스 싱은 말합니다. “이것이 반도체 산업이 많은 양의 물을 필요로 하는 이유 중 하나입니다.”
초순수 물을 생산하는 것은 다양한 오염물질, 포함하여 대양과 호수에 있는 미생물 및 기타 미세 생물들, 그리고 소금 이온을 포함한 작은 입자들을 제거하는 다단계 과정입니다. 역삼투 기술이 사용되는데, 이는 염수 처리 공장에서 사용되는 것과 유사하게, 소금을 여과해 낼만큼 작은 구멍이 있는 막을 통해 물을 푸셉니다. (칩 제조공장에서는 제조 장비를 냉각시키기 위해 가정용 수도꼭지에서 흐르는 것과 유사한, 덜 순수한 물을 사용하기도 합니다.) 칩 제조에서 물의 중요한 역할을 고려하여, 폐수의 회수와 재이용은 이 산업에 있어서 우선 순위가 되었습니다. 공장 내에서 재이용할 수 있는 만큼 더 많이 재사용하면, 지역 수도 공급에 의존하는 필요성이 줄어듭니다. 현재, 회사와 제조 공장에 따라 재이용할 수 있는 폐수의 비율은 제조 공정과 수처리에 대한 투자에 따라 다양합니다. 그러나 모든 회사들은 동일한 기본 문제에 직면하고 있습니다: 웨이퍼를 청소할 때, 초순수 물이 오염되고, 제조 공장에서 재사용하거나 공공 폐수 처리 시스템에 방류되기 전에 철저하게 청소가 필요합니다.
오염된 물을 정화하는 것은 복잡한 과정입니다. 왜냐하면 다양한 오염물질이 제조 공장의 폐수에서 발견될 수 있기 때문입니다. 리소그래피와 에칭은 산성 폐수를 생성할 수 있으며, 강력한 하이드로플루오릭 산으로 오염시킬 수도 있습니다. 웨이퍼가 얇아질 때는 미세한 실리콘 입자들이 나타날 수 있으며, 이소프로필 알코올을 비롯한 용매의 사용은 유기 탄소 잔류물을 남길 수 있습니다.
이 산업은 폐수의 다양한 구성 요소를 분리하는 방법을 개발했습니다. 일반인들이 재활용을 분리하는 것과 유사하게, 폐수를 10 종류 이상으로 분리하는 회사들이 많이 있다고 Gradiant의 공동 창업자이자 COO인 Prakash Govindan은 말합니다. 그는 “반도체 산업은 폐수 처리와 관련하여 실제로 매우 선진적입니다. 저희가 협력하는 미국의 다국적 기업들, 그리고 한국과 대만의 기업들도 모두 폐수를 최소한 10 종류 이상으로 분리하고, 일부 기업들은 15 또는 16 종류로 분리합니다.”라고 말합니다.
그런 다음, 그 폐수는 예를 들어 재이용을 위해 처리되거나 하수로 전달되거나 정화 및 냉각탑으로 재전달될 수 있습니다.
칩 제조업체들은 더 많은 물을 재이용할 수 있도록 여과 및 정화 과정을 개선하기 위해 투자하고 있습니다. 예를 들어, Intel은 2030년까지 글로벌적으로 순수한 물의 순양적 사용을 목표로, 염수와 비가 내린 물을 정수하고 정화하는 계획을 기반으로 합니다. Micron은 한편, “재이용, 재활용 및 복원”을 통해 10년 내에 75%를 절약하고자 합니다. Gradiant는 역삼투 과정을 조정하고 향상된 독점적 막을 사용하여 98%의 물 회수율을 달성할 수 있다고 합니다.
한편, 산업이 확장되는 시기에, 도시와 지역은 칩 공장의 도착이 그들의 수도 시스템과 지역사회에 미치는 영향에 대비해야 합니다. 이는 큰 문제입니다. 칩 공장으로 이어지는 물 중 약 85%는 최종적으로 시설에서 떠난다고 Porter, 애리조나 주의 수계 정책 전문가는 설명합니다. 예를 들어, 칩 공장의 도착은 애리조나 주의 물 공급 가능성에 영향을 미치지 않았지만, 피닉스 시는 하수를 음용수로 재활용하는 계획을 가지고 있습니다.
