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.
"Il trattamento convenzionale delle acque reflue negli impianti di semiconduttori ricicla dal 40 al 70% dell'acqua utilizzata nei processi", spiega Govindan. "Alcuni produttori riciclano ancora solo il 40% dell'acqua che utilizzano".
Tuttavia, negli ultimi due anni Gradiant ha lavorato con gli impianti di semiconduttori, migliorando il riutilizzo dell'acqua in modo da poter riciclare il 98% dell'acqua utilizzata. Così, invece di portare 10 milioni di galloni di acqua dolce al giorno dall'esterno, queste nuove tecnologie di riciclaggio consentono di prelevare solo 200.000 galloni di acqua dall'esterno dell'impianto per operare.
La tecnologia sviluppata da Gradiant si basa sull'osmosi inversa in controcorrente (CFRO), che è un adattamento di una tecnica di osmosi inversa ben consolidata. I flussi in controcorrente consentono alla tecnologia di spingere il recupero dell'acqua a livelli molto più elevati rispetto alle tecniche di osmosi inversa preesistenti.
Mentre le tecniche di osmosi inversa dipendono dall'alta pressione, che in genere richiede molta energia, Gradiant ha sviluppato una tecnica di bilanciamento termodinamico che riduce al minimo la forza motrice attraverso la membrana filtrante, riducendo così il consumo energetico per una data quantità di acqua trattata.
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.
"Ci sono tre fattori che spingono ad adottare tecnologie più efficaci per il riciclo dell'acqua", ha affermato Govindan. "Il primo è l'interruzione della continuità dell'attività; questa è la situazione in cui si sono trovati gli stabilimenti di Taiwan quando hanno iniziato ad affrontare condizioni climatiche localizzate insolitamente secche. La seconda è la preoccupazione per la sostenibilità, che è un fattore trainante per le fabbriche di Singapore e di altre località. Il terzo è la riduzione dei costi, che è la preoccupazione principale in questo momento per gli stabilimenti statunitensi".
Sebbene l'interruzione della continuità aziendale sia chiaramente il fattore più urgente, secondo Govindan anche la sostenibilità e la riduzione dei costi sono alla base dei problemi di continuità aziendale.
La maggior parte, se non tutti, i consigli di amministrazione delle aziende ricevono relazioni sui fattori di sostenibilità", ha affermato Govindan. "Alcuni produttori di microchip hanno persino sottoscritto l'impegno delle Nazioni Unite a ridurre a zero il consumo di acqua.
Le preoccupazioni dell'industria dei semiconduttori in materia di sostenibilità vanno di pari passo con l'evoluzione del settore negli ultimi 20 anni. Con la riduzione delle dimensioni dei componenti, è cambiato il livello di contaminanti che i chip possono tollerare e il livello di sostanze chimiche tossiche utilizzate. Ciò che era applicabile 20 anni fa a Mountain View, in California, quando Fairchild vi produceva chip, è completamente diverso da ciò che fa oggi lo stabilimento Micron in Idaho.
Sebbene la sostenibilità stia diventando un fattore esterno chiave per gli sforzi di riciclaggio dell'acqua, il fattore principale è quasi sempre il risparmio dei costi. In Arizona, ad esempio, i costi di reperimento, approvvigionamento e utilizzo dell'acqua dolce sono abbastanza elevati che un'azienda come Gradiant può far risparmiare molto denaro semplicemente riciclando l'acqua che riesce ad acquistare. "Il nostro costo di trattamento è in genere inferiore al costo di approvvigionamento e smaltimento", aggiunge Govindan.
Sebbene le fabbriche statunitensi non stiano affrontando una minaccia alla continuità delle loro attività a causa della scarsità d'acqua - nonostante la loro ubicazione in regioni aride come l'Arizona - il cambiamento climatico in generale rappresenta un rischio incombente per la disponibilità di acqua. Si dice che il cambiamento climatico e la limitata disponibilità di acqua dolce stiano già colpendo il 40% della popolazione mondiale.
"A causa dei cambiamenti climatici", osserva Govindan, "i livelli di disponibilità di acqua dolce sono diminuiti in alcune regioni e questi numeri potrebbero facilmente accelerare rispetto ai modelli predittivi. La scarsità d'acqua potrebbe essere ancora più urgente di quanto previsto oggi".
