In these days of seemingly never-ending chip shortages, more and greater varieties of semiconductors are in demand. Chip fabs around the world are now racing to catch up to the world’s many microelectronic needs. And chip fabs need a lot of water to operate.
By some estimates, a large chip fab can use up to 10 million gallons of water a day, which is equivalent to the water consumption of roughly 300,000 households.
While semiconductor companies have long understood that water access is a key element to their business, over the past decade that awareness has become more acute. Back in 2015, a drought in Taiwan (where 11 of the 14 largest fabs in the world are located), led Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. to open up its plants to inspection to demonstrate their water conservation efforts. Also in 2015, Intel made it known that it had reduced its water consumption by over 40 percent from its 2010 levels in response to the arid conditions at the sites where its plants are located.
Since that time, water recycling at semiconductor plants has continued to increase, according to Prakash Govindan, chief operating officer at Gradiant, a company that offers end-to-end water recycling technologies to a range of industries, including semiconductors.
"Le traitement conventionnel des eaux usées dans les usines de semi-conducteurs a permis de recycler entre 40 et 70 % de l'eau utilisée dans leurs processus", explique M. Govindan. "Certains fabricants ne recyclent encore que 40 % de l'eau qu'ils utilisent.
Cependant, au cours des deux dernières années, Gradiant a travaillé avec des usines de semi-conducteurs, améliorant leur réutilisation de l'eau de manière à ce qu'elles puissent recycler 98 % de l'eau qu'elles utilisent. Ainsi, au lieu de faire venir 10 millions de gallons d'eau douce par jour de l'extérieur, ces nouvelles technologies de recyclage signifient qu'ils n'ont besoin de tirer que 200 000 gallons d'eau de l'extérieur de l'usine pour fonctionner.
La technologie développée par Gradiant est basée sur l'osmose inverse à contre-courant (CFRO), qui est une adaptation d'une technique d'osmose inverse bien établie. Les flux à contre-courant permettent à la technologie de pousser la récupération de l'eau à des niveaux beaucoup plus élevés que ne le permettaient les techniques d'osmose inverse préexistantes.
Alors que les techniques d'osmose inverse dépendent d'une pression élevée qui demande généralement beaucoup d'énergie, Gradiant a développé une technique d'équilibrage thermodynamique qui minimise la force motrice à travers la membrane filtrante, réduisant ainsi la consommation d'énergie pour une quantité donnée d'eau traitée.
The water scarcity problem for Taiwan fabs has become even more acute in the past year due to new drought conditions. This has led the Taiwan fabs to adopt the latest water recycling technologies more rapidly than fabs in other geographic locations, with an eye toward fending off any interruptions to their production.
"Il y a trois raisons d'adopter des technologies de recyclage de l'eau plus efficaces", a déclaré M. Govindan. "Le premier est une interruption de la continuité des activités ; c'est la situation dans laquelle se sont trouvées les usines de Taïwan lorsqu'elles ont commencé à faire face à des conditions climatiques localisées qui ont été anormalement sèches. La deuxième est liée aux préoccupations en matière de développement durable, ce qui est un facteur déterminant pour les usines de Singapour et d'autres sites. Enfin, la troisième est la réduction des coûts, qui est la principale préoccupation des usines américaines à l'heure actuelle.
Selon M. Govindan, si l'interruption de la continuité des activités est manifestement le facteur le plus urgent, la durabilité et les économies de coûts conduisent en fin de compte à des problèmes de continuité des activités.
"La plupart des conseils d'administration des entreprises, sinon tous, reçoivent des rapports sur les facteurs de durabilité, a déclaré M. Govindan. "Certains fabricants de microprocesseurs ont même signé l'engagement des Nations unies en faveur d'une consommation d'eau nette zéro.
Les préoccupations de l'industrie des semi-conducteurs en matière de développement durable suivent l'évolution du secteur au cours des 20 dernières années. La taille des éléments étant devenue plus petite, le niveau de contaminants que les puces peuvent tolérer et le niveau de produits chimiques toxiques qu'elles utilisent ont changé. Ce qui était applicable il y a 20 ans à Mountain View, en Californie, lorsque Fairchild y fabriquait des puces, est complètement différent de ce que fait aujourd'hui l'usine Micron dans l'Idaho.
Si le développement durable est en passe de devenir un facteur extérieur clé pour les efforts de recyclage de l'eau, le principal facteur est presque toujours la réduction des coûts. En Arizona, par exemple, le coût de la recherche, de l'approvisionnement et de l'utilisation de l'eau douce est suffisamment élevé pour qu'une société comme Gradiant puisse faire économiser beaucoup d'argent à une entreprise simplement en recyclant l'eau qu'elle parvient à acquérir. "Notre coût de traitement est généralement inférieur au coût d'approvisionnement et d'élimination", ajoute M. Govindan.
Si les fabriques américaines ne sont pas menacées dans la continuité de leurs activités par la pénurie d'eau - bien qu'elles soient situées dans des régions arides comme l'Arizona - le changement climatique en général est un risque imminent pour la disponibilité de l'eau. Le changement climatique et la disponibilité limitée de l'eau douce affecteraient déjà 40 % de la population mondiale.
"En raison du changement climatique", note M. Govindan, "les niveaux de disponibilité de l'eau douce ont chuté dans certaines régions, et ces chiffres pourraient facilement s'accélérer par rapport aux modèles prédictifs. La pénurie d'eau pourrait être encore plus urgente que ce que nous prévoyons aujourd'hui.
