Грязный ноутбук, или Тайны «чистой» технологии

Маленький отчет большой компании

Общественность, обеспокоенная нарастающими выбросами углекислого газа в атмосферу, как правило, фокусирует свою тревогу на деятельности компаний, которые добывают и перерабатывают сырье, занимаются энергетикой и крупнотоннажным материальным производством. При этом мало кто задумывается об экологичности ноутбуков, смартфонов, планшетов и других гаджетов, полагая, вероятно, что если эти маленькие устройства и могут чем-то загрязнить окружающую среду, то лишь избыточной информацией.

Так ли это? Давайте обратимся к сайту одного из лидеров информационных технологий — компании Apple. На странице, посвященной экологии и эффективности энергопотребления ее продуктов, можно прочитать, что Apple создает свои ноутбуки и телефоны настолько энергоэффективными, насколько это возможно. Даже самые неэффективные из ее продуктов втрое лучше строгих стандартов энергопотребления Energy Star 6.0, которые составляют 25 киловатт-часов в год для ноутбука. Если поверить этим заявлениям и пересчитать на ватты, то получится, что MacBook потребляет меньше одного ватта энергии в час — в сто раз меньше обычной стоваттной лампочки накаливания. Впечатляюще, не правда ли?

Есть только одна странность. В небольшом отчете (три страницы) той же компании Apple сказано, что, например, 15-дюймовый MacBook Pro с ретина-дисплеем за время своей жизни (четыре года) выбрасывает в атмосферу 690 кг углекислого газа. Это то же самое энергопотребление, выраженное в килограммах СО₂. С помощью простого коэффициента эти килограммы можно перевести в киловатт-часы электроэнергии, произведенной на электростанции. Такие коэффициенты рассчитывают специальные организации по международным протоколам, таким, в частности, как Greenhouse Gas Protocol. Их используют, чтобы выяснить, как влияет производство на окружающую среду. Понятно, что для разных источников энергии и разных стран коэффициенты оказываются различными. Например, в Америке при получении киловатт-часа энергии производится около полукилограмма углекислого газа. В Китае, где находится большая часть заводов по производству электроники, коэффициент составляет около 0,87 кг/кВт•ч. В мире же «средняя температура по больнице» — около 0,44 кг CO₂/кВт•ч. Эта цифра получается отчасти из-за развитых постиндустриальных стран, следящих за вредными выбросами (Австрия — 0,16; Франция — 0,09; Норвегия — 0,02), а отчасти из-за стран не производящих самостоятельно электроэнергию сжиганием ископаемого топлива, но, тем не менее, включенных в статистику, потому что сколько-то электричества они все-таки потребляют, выбрасывая при этом мизерные количества CO₂ (Ангола — 0,23; Эфиопия — 0,12; Конго — 0,003).

Так вот, если пересчитать 690 кг CO₂ в киловатт-часы по этим коэффициентам, то глаза на лоб начинают лезть. Даже с консервативными китайскими коэффициентами мы получаем 800 кВт•ч, или 200 кВт•ч в год, почти в десять раз больше, чем стандарт Energy Star.

Впрочем, не все так просто. Из диаграммы (рис. 1) следует, что львиная доля энергии, 75%, уходит на производство макбука, а не на его эксплуатацию. Однако именно энергию, расходуемую при использовании этого устройства, учитывает стандарт Energy Star. А она составляет всего 19%. При суммарном энергопотреблении в 200 кВт•ч/год это 38 кВт•ч/год, что заметно больше 25 кВт•ч/год по стандарту.

1. За время своей жизни (четыре года) 15-дюймовый MacBook Pro с ретина-дисплеем выбрасывает в атмосферу 690 кг углекислого газа. Большая часть этих выбросов связана с весьма энергозатратным производством ноутбука

У этой явной нестыковки могут быть два объяснения: либо существуют какие- то дополнительные выбросы углекислого газа, не связанные с затратами электроэнергии, что маловероятно, либо компания занижает затраты энергии на производство. Ведь если предположить, что реальный расход энергии при использовании ноутбука — 20 кВт•ч/год, то, чтобы получить вышеприведенные 800 кВт, доля производства в энергозатратах должна быть около 87%, а не 75%, как написано в отчете. Впрочем, проверить правдоподобность этого предположения не представляется возможным, потому что описанию технологии производства ноутбука и связанным с этим затратам энергии не уделено ни строчки.

Мы далеки от того, чтобы обвинять компанию Apple в намеренном сокрытии информации. Она, по сути, лишь следует общемировому тренду. Если попытаться отыскать данные об энергозатратах, связанных с производством микроэлектроники, то самой актуальной публикацией оказывается статья, написанная Эриком Уильямсом в 2004 году, где автор анализирует компьютер, сделанный в конце 90-х. А для многих более современных технологий таких исследований просто не существует.

Так все же насколько экологично производство ноутбуков и айпадов? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сделать полный анализ производства, использования и утилизации каждой из деталей современного компьютера. Это производство включает в себя десятки, а иногда и сотни стадий, практически каждая применяет высокие технологии, многие из которых к тому же засекречены. Такое исследование под силу только большой группе аналитиков, обладающих к тому же беспрецедентным доступом к различного рода информации о производственных процессах.

Мы можем оценить ситуацию не более чем в первом приближении, и то лишь в части производства самой высокотехнологичной, а значит, и самой энергозатратной детали современных компьютеров — процессора. Основываясь на упомянутом выше анализе 2004 года, мы сделаем примерную прикидку энергетических и материальных затрат на каждой стадии и в заключение попробуем дать общую оценку ноутбуку, описанному в начале, исходя из доступных для нас цифр.

От песка до кремния

Ключевая деталь современного электронного устройства — микропроцессор, основа которого — подложка из ультрачистого кремния. Поэтому производство процессоров начинается с получения кремния.

2. Кремний извлекают из природного кварца - чистого SiO2

Кремний — второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода. На его долю (по массе) приходится 27,7% земной коры. В природе он обычно встречается в виде сложных силикатов, то есть соединений оксида кремния с оксидами металлов, составляющих до 90% массы земной коры, а также, более редко, в виде чистого SiO₂, кварца. Тот же диоксид кремния, только мелкокристаллический, — основной компонент обычного песка. Из него и получают кремний для промышленности.

В сущности, процесс получения кремния из песка напоминает выплавку чугуна из железной руды: кремний восстанавливается из диоксида благодаря коксу в дуговых электрических печах:

Смесь песка с коксом поступает в кратер печи, нагревается до 2000°С электрической дугой, образующейся между углеродными электродами. При таких температурах углерод кокса и электродов взаимодействует с оксидом кремния, превращаясь в газообразный монооксид углерода, и восстанавливает песок до элементного кремния:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO.

Расплавленный кремний стекает через специальное отверстие внизу печи. После первичной очистки от шлака и газов кремнию дают остыть, а потом дробят. На выходе в зависимости от используемых в производстве методов очистки получается кремний либо технической (95—98%), либо металлургической (98—99,9%) чистоты.

4. Вот так выглядит технический или металлургический кремний с чистотой до 99,9%. Ему предстоит дальнейшая очистка

Эта стадия, самая архаичная и грубая, может показаться довольно энергозатратной:  все-таки печь, высокая температура... Но в расчете на килограмм получаемого кремния она оказывается одной из самых экономичных — всего 13 кВт•ч при выходе кремния 90%. И это свойственно почти всем старым индустриальным методам промышленного производства, таким, как металлургия или даже производство электрических или бензиновых двигателей. Затрачивая довольно много энергии, они выпускают огромное количество продукции, пусть и не особо чистой, без сверхсложной микроскопической структуры. Она служит долго, ее легко утилизировать. К сожалению, таких стадий в современном производстве микропроцессоров очень мало.

Девять девяток

Большую часть кремния технической и металлургической чистоты используют в качестве компонента при производстве сплавов, таких, например, как ферросилиций (с железом) или силумин (с алюминием), а также в качестве легирующей добавки или модификатора свойств при производстве чугуна, бронзы и сталей. Только небольшую часть металлургического кремния очищают, чтобы дальше использовать в полупроводниковой промышленности.

Вообще, кристаллический кремний высокой чистоты подразделяют на кремний солнечного качества и кремний электронного качества — в зависимости от предназначения. Солнечный кремний содержит более 99,99% кремния по весу и идет на производство солнечных батарей. Наиболее чистый — электронный. Кремний с чистотой более 99,999% используют для изготовления электронных приборов: интегральных микросхем, чипов памяти и процессоров. Содержание примесей в таком кремнии может разниться, но для производства процессоров последних поколений нужен самый чистый кремний, в котором содержание основного вещества составляет 99,9999999% (так называемые девять девяток).

Как добиться такой умопомрачительной чистоты? Металлургическому кремнию предстоит пройти долгий путь превращений, прежде чем он сможет претендовать на место подложки в интегральных схемах. Но все по порядку.

Измельченный в порошок металлургический кремний в специальном реакторе обрабатывают хлористым водородом при 300°С и получают трихлорсилан SiHCl₃:

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂.

На этой стадии выход полезного продукта составляет около 90%, а потребление электроэнергии на превращение килограмма кремния в трихлорсилан — 50 кВт•ч.

Трихлорсилан — летучее вещество, он кипит всего лишь при 31,8^оС. Это дает возможность отогнать его пары и очистить их тем же методом дистилляции, который используют при получении многих чистых веществ: спирта, воды и т. д. В отогнанном паре уже почти нет вредных, электрически активных примесей (Al, P, B, Fe, Cu или Au) — меньше одного атома на миллиард атомов кремния. Остается только выделить очищенный кремний обратно из силана. И тут аналогии с обычной перегонкой заканчиваются. Вместо охлаждения нагретый трихлорсилан смешивают с водородом и восстанавливают:

SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl.

Смесь силанов и водорода омывает кремниевые стержни (либо крошку в кипящем слое), нагретые до 650—1300°С, на которых и осаждается свободный кремний с чистотой вплоть до девяти девяток. Эта технология получила название Сименс-процесс, поскольку была разработана в свое время компанией Siemens.

5. А вот результат Сименс-процесса - кремний с чистотой девять девяток

Реакция протекает в больших вакуумных камерах в течение 200—300 часов, в результате образуются бруски ультрачистого поликристаллического кремния диаметром 150—200 мм. На этой стадии выход составляет лишь чуть больше 40%, а затраты энергии доходят до 250 кВт•ч на килограмм полученного продукта. И это не считая того, что хлороводород, используемый в этом процессе, да и сами силаны — ядовитые вещества и отходы такого производства становятся экологической проблемой. А значит, к энергетическим затратам надо прибавить еще и энергию, необходимую для утилизации отходов и очистку газообразных выбросов.

Альтернативы Сименс-процессу сегодня пока нет. Существуют его модификации, использующие разложение силана SiH₄, тетрахлорсилана SiCl₄ или других галогенидов кремния, таких, как фторид SiF₄. Они бывают удобными для удаления некоторых специфических примесей и более выгодными по сравнению с Сименс-процессом с точки зрения энергоемкости и материалоемкости. Недостаток их в том, что другие галогениды кремния еще более вредны, и это опять-таки приводит к дополнительным расходам энергии на утилизацию загрязнений, а силан хоть и экологичнее, но менее удобен с технологической точки зрения.

Объединение кристаллов

Следующая стадия — получение монокристаллического кремния высокой чистоты методом Чохральского. Метод открыл польский химик Ян Чохральский в 1916 году. Причем открыл по воле случая: уронил в расплавленное олово ручку и стал вытаскивать. А вместе с ручкой из расплава начала вытягиваться оловянная нить, прицепившаяся к металлическому перу. Чохральский поставил эксперимент, но не с пером, а с кусочком олова. Эффект повторился, а застывшая оловянная нить имела монокристаллическую структуру.

Выращивание монокристаллов методом Чохральского происходит следующим образом. Дробленый поликристаллический кремний (шихту) закладывают в кварцевый тигель, из установки откачивают воздух, нагнетают в нее инертный аргон, а затем нагревают тигель до 1500˚С, чтобы кремний расплавился.

Теперь можно опускать затравочный монокристалл кремния, закрепленный на подвеске. Как только он коснется поверхности расплава, его начинают медленно вытягивать в обратном направлении. Размер образующегося кристалла зависит от температуры расплава и скорости, с которой мы вытаскиваем затравку. В результате получаются сверхчистые цилиндрические слитки монокристаллической структуры диаметром до 45 см.

6. Выращивание кристаллов методом Чохральского - процесс простой: в жидкий кремний вносят затравку, а затем очень медленно ее вытягивают

По данным Уильямса, получение монокристаллов методом Чохральского требует 250 кВт•ч на килограмм монокристаллического кремния при потерях, составляющих примерно половину исходного кремния.

Предварительные итоги

Теперь из монокристаллов электронной чистоты предстоит изготовить кремниевые подложки для микросхем. Сначала из слитков вырезают части, пригодные для этих целей по своим структурным, геометрическим и электрофизическим свойствам. Затем их калибруют под определенный диаметр и нарезают на пластины диаметром до 45 см и толщиной в несколько сот микрометров. Последний штрих — механическая и химическая полировка, чтобы поверхность была гладкой, без дефектов и шероховатостей (не более 1 мкм).

Сколько энергии мы потратили на всех описанных стадиях? Простым сложением здесь не обойтись: фактические суммарные энергозатраты всегда будут больше. Поскольку на каждой стадии материал теряется, в конечном счете на изготовление одного килограмма подложек тратится почти 23 кг кварца и 2130 кВт•ч электроэнергии. Эти цифры, взятые мной из статьи Уильямса, датируются 2000 годом. Но процесс изготовления кремниевых подложек с тех пор практически не изменился, и, считая, что в одном компьютере используется примерно 110 см² (около 15 граммов) подложки, мы получаем вполне значительную величину в 38 кВт•ч энергии, затраченной на получение кремниевых подложек для одного компьютера.

При этом сам Уильямс оценивает ошибку в своей оценке примерно в 30%, так что эта цифра в любом случае не более чем ориентировочная. Но и это уже немало. Однако главное все еще впереди.

Производство процессоров

Производство микрочипов с субмикронными размерами элементов — один из самых сложных процессов в современной промышленности. Эта технология вобрала в себя множество физико-химических манипуляций и требует нанометровой точности, которая достижима только при абсолютной стерильности производственного помещения. В цеху соблюдается так называемая электронная гигиена: в рабочей зоне, где обрабатывают полупроводниковые пластины, и на операциях выращивания кристалла в литре воздуха не должно быть более пяти пылинок размером 0,5 мкм. Для сравнения: стандарты чистоты хирургических операционных допускают содержание в тысячи раз большего количества пыли.

Чип — это не просто кремниевая пластинка, а сложная многослойная полупроводниковая конструкция, возведенная на кремниевой подложке. Производство чипов состоит более чем из трех сотен операций, и один производственный цикл может длиться до нескольких недель (о том, как делают чипы, читайте в подверстке к этой статье). Практически на каждой стадии используются вредные химикаты, сверхточное оборудование и энергозатратные физические методы, такие, как лучевое травление и ионная имплантация. Причем эти операции повторяются для каждого из пары десятков слоев, составляющих процессор. Плюс затраты энергии на сверхмощную систему вентиляции и фильтрации, обеспечивающую стерильность.

Неудивительно поэтому, что масса топлива, необходимого для производства одного процессора, в тысячи раз больше массы самого чипа (всего пара граммов). Общие же затраты энергии в сотни тысяч раз больше, чем на обычном производстве, скажем, пластика или металла, из которых в дальнейшем делают корпуса компьютеров.

По данным исследований десятилетней давности, на производство 1 см² полупроводниковой схемы уходит около 2 кВт•ч электроэнергии. Ядро процессора — около 2 см². Но, во-первых, процессор — это многослойная полупроводниковая конструкция, содержащая до 20 слоев, поэтому предложенную цифру необходимо увеличить хотя бы раз в пять. Во-вторых, за десять лет масштаб элементов процессора уменьшился на порядок. В начале двухтысячных размер транзистора составлял около 0,2 мкм, сейчас — 22 нм, в десять раз меньше. Это значит, что на той же площади кристалла транзисторов стало в сто раз больше. Понятно, что это не повысило затраты энергии ни в сто раз, ни даже в десять, но раза в два-три, наверное, могло. Понятно также, что благодаря этому размеры самого ядра можно было уменьшить, однако эти расчеты все равно дают энергозатраты около 40 кВт•ч на производство одного процессорного ядра весом, может быть, меньше четверти грамма. Эти 200 МВт•ч электроэнергии на килограмм продукта — сравнимы с энергией, производимой за тот же час полноценной электростанцией.

Напомню, что даже в работах, на которые я опираюсь, погрешность была порядка 30%. А тут я ввел еще несколько множителей, по поводу каждого из которых мог сильно ошибиться как в ту, так и в другую сторону, поэтому мои цифры оказываются, мягко говоря, неточными. Но, как я уже говорил, это лишь прикидка, дающая представление о том, сколько энергии мы действительно тратим на производство компьютеров. Теперь остается только суммировать цифры, чтобы получить картинку, описывающую реальность в первом приближении.

Итого

Итак, сколько же энергии мы расходуем на производство одного макбука? Его сердце, четырехъядерный процессор Intel Core i7, обходится нам в 150 кВт•ч; процессор видеокарты — еще около 30 кВт•ч; 16 Гб оперативной памяти и 2 Гб видеопамяти, то есть около 40 чипов по 2 см² каждый, — 160 кВт•ч. Сама компания Apple в своем отчете пишет, что масса микросхем в их ноутбуке составляет примерно 200 граммов. Пусть процессор — 20 г, память около 30 г, видеокарта — еще 50 г, остается 100. Это должны быть материнская плата и остальные микросхемы. Пусть порядка половины этих граммов соответствует сантиметрам квадратным полупроводников — получается еще 100 кВт•ч. Всего — 440 кВт•ч.

Теперь просуммируем все остальное. Производство кремниевых подложек — 40 кВт•ч; производство печатных плат — 15 кВт•ч; новейший дисплей Retina со сверхвысоким разрешением (допустим, раза в два затратней, чем электронно-лучевая трубка десятилетней давности, на которую уходило 70 кВт•ч) — около 150 кВт•ч. Жесткие диски и прочие детали — 120 кВт•ч. Энергия, затраченная на получение исходных материалов (сталь, алюминий, пластик и т. д.), около 20 кВт•ч на кг, — 40 кВт•ч на 2 кг ноутбука. Сборка, которая наверняка стала проще и легче за прошедшие десять лет, — около 40 кВт•ч. Еще очень большой вклад дает получение химикатов и оборудования, используемых при производстве полупроводников и компьютеров, — около 300 кВт•ч на один компьютер (здесь я не пытаюсь пересчитывать данные, взятые из работы Уильямса, потому что никаких критериев для такого пересчета у меня нет, и надеюсь, что средние значения для отрасли не сильно изменились за прошедшие годы). Затраты на упаков- ку, транспорт, документацию и прочие связанные процессы можно, наверное, уменьшить соответственно с уменьшением массы компьютера — примерно 45 кВт•ч. В сумме, по моим подсчетам, на производство одного MacBook Pro с дисплеем Retina затрачивается примерно 1200 кВт•ч общей энергии.

И ведь мы еще не учли энергию, затрачиваемую на утилизацию таких сложных отходов, как старые ноутбуки. Процесс это трудный и невыгодный, поэтому старые компьютеры либо хранят, либо увозят в страны третьего мира и сваливают на огромных свалках. Если же прибавить расходы энергии при использовании и утилизации, получится, наверное, что-то около 1500 кВт•ч за четыре года жизни ноутбука, или 375 кВт•ч в год (кстати говоря, в 15 раз больше стандарта Energy Star).

Ну что можно сказать? Мы получили цифру, отлично совпадающую с данными из эппловского отчета, если килограммы CO₂ пересчитывать в киловатт-часы по среднемировому коэффициенту (0,44 кг CO₂/ кВт•ч). И это, с одной стороны, говорит в пользу компании Apple, ведь они более-менее правдиво указали хотя бы эту цифру. С другой стороны, если это действительно так, то доля использования, транспортировки и утилизации, которым посвящен весь этот отчет, составляет не 25%, а всего лишь 7%. Остальные 93% — это производство, о котором не сказано было ни слова.

Если же пересчитать с коэффициентами для Китая (0,87 кг CO₂/ кВт•ч), то суммарные выбросы составят 1300 кг углекислого газа. Для сравнения: машина в год (пробег 10 000 км) вырабатывает чуть больше тонны углекислого газа.

Так что хоть современная электроника и производит впечатление экологичной, впечатление это обманчиво. Ее производство требует огромных затрат и возможно лишь благодаря дешевой энергии, которую мы получаем от сжигания угля, нефти и газа. Конечно, ваш ноутбук не дымит как паровоз. Но это вовсе не означает, что он безопасен для окружающей среды.

Как делают чипы?