Green Computing: el problema de la basura electrónica (e-waste) – Parte 1/3

El progreso tiene un coste. Todos los avances en la tecnología tienen un impacto en el medio ambiente. No se trata de frenar el progreso, sino en buscar un mejor compromiso entre progreso y sostenibilidad. Se pueden hacer las cosas mejor en muchos sentidos, desde la forma en la que se diseñan/producen los dispositivos electrónicos, hasta que se transforman en basura electrónica, pasando por la manera en la que se usan.

El mayor escollo para esto son las empresas tecnológicas, ya que suele primar la reducción de costes frente a reducir el impacto de sus actividades. Pero hay algo que tú, como consumidor, puedes hacer. Si eliges productos con un menor impacto, ellos querrán darte productos con un mejor impacto, no porque entiendan que es necesario tomar estas medidas, sino por sus propio beneficios…

No me canso de decirlo: cambia la sociedad y cambiarás a las empresas.

Y que no te engañen, tu voto tampoco sirve. Ninguno de los partidos políticos, sean las siglas que sean, hace nada por presionar a las empresas y mejorar la situación, simplemente son promesas vanas en campaña, o firmas de tratados mundiales muy notorios para apuntarse una «medalla». Unos tratados que, o no se cumplen, o si se hace, tampoco son una solución suficiente como la que demanda la comunidad científica…

Y no es un tema poco urgente. 1 de cada 5 muertes son debidas a la contaminación. Cada año mueren una media de 7 millones de personas (800.000 en Europa) en todo el mundo debido a la contaminación atmosférica. Otras muchas viven con enfermedades crónicas o problemas derivados de la contaminación. Eso sin contar todas las personas que pierden su hogar por las lluvias torrenciales e inundaciones derivadas del cambio climático, que sufren ya sequía, etc. Pese a eso, parece que para algunos solo cuentan algunas cifras, otras no…

Más información sobre la situación en Europa -> AEMA

La paradoja de la industria de los semiconductores es que gracias a ella se podrán cumplir los objetivos climáticos globales, ya que es parte fundamental de los vehículos eléctricos, paneles solares, turbinas eólicas, etc. Sin embargo, la cantidad de energía y agua consumida por las fábricas de este sector y los desechos generados son la otra cara que va contra estos objetivos…

Retos durante la producción de dispositivos electrónicos

foundry, IDM, fabless

Se ha prometido mucho una fábrica verde para el futuro, que emplease menos químicos, con una mayor eficiencia energética, menos emisiones de CO2, con mayor seguridad frente a vertidos de químicos por fugas accidentales, reducción del uso de materiales plásticos, y un menor consumo de agua.

Es importante también garantizar la procedencia de los minerales y materias primas empleadas. Algunas compañías aseguran no usar «minerales de sangre«, aunque es complicado determinar la procedencia, ya que la trazabilidad no siempre se lleva a cabo de manera correcta.

Gestión del agua

Éste último punto preocupa mucho, ya que la escasez de agua es cada vez mayor, y el acceso a este bien de primera necesidad ni siquiera está garantizado para toda la población mundial. Sin embargo, en estas industrias se consumen ingentes cantidades de agua durante la fabricación de chips y otros componentes electrónicos que necesitan procesos de aclarado.

Esto empeora aún más si se tienen en cuenta algunas predicciones como las de la ONU, que estiman que la demanda de agua potable crecerá un 55% para 2050 en comparación con la demanda de 2000. Para poder seguir satisfaciendo esa demanda, las empresas deberán gestionar el agua residual de forma mucho más eficiente que en la actualidad para poderla reutilizar, además de reducir la cantidad que necesitan para los procesos de producción.

Una foundry requiere grandes volúmenes de agua ultrapura (UPW) para evitar la contaminación de los dispositivos con residuos durante los lavados. Para hacerte una idea, una factoría normal puede usar entre 7.57 y 15.14 millones de litros de agua por día. Algunas fabs de mayor calado podrían llegar a los 34 millones de litros al día. Para hacerte una idea, en 2015, el consumo de Intel fue de 34.07 mil millones de litros de agua.

Para producir una oblea de silicio, o wafer, de 300mm de diámetro, se suelen necesitar unos 8300 litros de agua, de ella unos 5700 litros son de UPW. Por eso, con una fab con volúmenes de 40.000 – 50.000 obleas al mes, se llega a consumir en un solo día lo que consumiría una ciudad de unos 60.000 – 75.000 habitantes en un año.

UPW es un agua miles de veces más pura que el agua potable, como la destilada. Es tan pura que se considera como un disolvente a nivel industrial. Para producir 1 litro de agua UPW se necesitan entre 1.4 y 1.6 litros de agua potable de la red municipal.

Eso no solo supone un consumo descomunal de agua potable, también genera aguas residuales que contienen contaminantes como disolventes tóxicos, metales pesados, etc. Los costes para la limpieza de estas aguas ha tenido un coste de cientos de millones de dólares para evitar la contaminación de las aguas subterráneas si se liberaban estas aguas sin tratar. Además, las nuevas legislaciones prohíben la liberación de estos afluentes a la naturaleza.

Otras industrias en la lista negra por el consumo de agua son el sector textil, la industria del metal (hierro/acero), la industria papelera, las refinerías de petróleo, las industrias de alimentos fermentados y las industrias químicas.

Algunas empresas están afrontando estos desafíos de una forma proactiva, para reducir su dependencia de químicos y mejorando el tratamiento de las aguas residuales antes de ser vertidas. La europea STMicroelectronics es un ejemplo de esto, ya que recicló y reutilizó el 45% del agua total que usó en 2015, además de asociarse con Micron Technology para crear unas instalaciones de tratamientos de desechos de fluoruro conjunta.

Algunas factorías, para mayor problema, están situadas en zonas áridas donde el agua no es algo que abunde. Un ejemplo de ello es TSMC, que actúa de forma proactiva, reduciendo su consumo durante las épocas de sequía en Taiwan. Algo importante, ya que en esta zona insular llueve muy poco y la escasez de agua acelerada por el cambio climático (épocas de sequía prolongadas y lluvias torrenciales que generan inundaciones, pero que no se pueden aprovechar) está amenazando con su actividad industrial más importante.

La capacidad de producción de TSMC está por encima de los 100.000 obleas/mes. Ese volumen significa muchos procesos de grabado químico y enjuagues con agua… Para hacerte una idea, la nueva planta de 2nm de Baoshan (Hsinchu) tendrá una fab que ocupará unas 20 hectáreas y usará 98.000 toneladas de agua al día. Eso significa casi el 50% del consumo diario total de agua de TSMC en 2020 para nodos anteriores. No obstante, se han comprometido a reciclar el 10% del agua en esta planta para 2025 y reutilizar el 100% en 2030. ¿Cumplirán esta vez?

Además, adquirir sistemas UPW más eficientes puede costar entre el 1% y el 1.5% de los costos de capital totales de esta industria, es decir, varias decenas de millones de dólares. A eso se le suman los costes para el tratamiento de la misma. Pero merece la pena, ya que la reducción, reutilización y reciclaje del agua de una planta puede hacer que la empresa ahorre unos 100 millones de dólares por año.

Algo que se puede hacer para reducir la necesidad de agua es sustituir las estaciones de enjuague húmedo convencionales por sistemas automáticos AWB para cada proceso de ataque químico y aclarado. Esto supondría una reducción del 40% de agua necesaria respecto al sistema convencional.

En cuanto a la reutilización y tratamiento del agua, se pueden usar técnicas de ósmosis inversa para devolver la pureza al agua. Para los compuestos orgánicos e inorgánicos se pueden usar técnicas también de precipitación química, electrólisis, coagulación, floculación, oxidación química, intercambio iónico, etc.

Por eso, TSMC, se lo están tomando muy en serio, invirtiendo un promedio de 25 millones de dólares al año para reducir el consumo neto de agua por chip y tratar el agua para reutilizarla. Sus esfuerzos han llegado incluso a necesitar 1/3 del agua que usan sus competidores de EE.UU. Además, la tasa de reutilización del agua de TSMC es cercana al 90%. Gracias a ello, la factoría ha podido eludir interrupciones por la falta de precipitaciones en la zona.

Otras factorías, como Samsung, IBM, Toshiba, GF, y más, también están haciendo esfuerzos por reducir el consumo de agua. Por ejemplo, IBM logró emplear algunas tecnologías de conservación de agua y análisis avanzado para reducir el consumo hasta un 27%, junco con una reducción en la factura energética de 3 millones de dólares.

Consumo energético

El uso de energía eléctrica de una fábrica tampoco se queda atrás. Una fab de una foundry podría consumir el equivalente a la energía eléctrica que se podría necesitar para satisfacer el consumo de una ciudad pequeña. Estoy hablando de consumos que pueden ir entre los 30-50 MW.

Si esa energía no se ha generado con de forma sostenible, la huella medioambiental de la industria de semiconductores puede ser muy considerable, junto con la de los centros de datos. El problema en algunas zonas del mundo, como en China, es que la producción del 97% de esa energía depende del agua (plantas hidroeléctricas). Dicho de otro modo, si no hay agua no hay energía.

AMD en sus factorías de Dresde (actualmente Global Foundries), creó un protocolo para que sus trabajadores compartieran coches para reducir las emisiones. Además, sus factorías integraron sistemas inteligentes para el ahorro energético, como interruptores de luz automáticos, etc.

Por eso, es importante que toda las instalaciones reduzcan la cantidad de energía necesaria con maquinaria y equipos más eficientes energéticamente. Además, se debe presionar para que cada vez se produzca más energía eléctrica con una huella de carbono baja, prescindiendo de los combustibles fósiles.

Las empresas deben ser conscientes de que destinar recursos económicos a estas mejoras de eficiencia no es un gasto, es una inversión.

Un ejemplo es STMicroelectronics. Para controlar la suspensión de partículas en suspensión en el aire de la sala blanca, la presión del aire, la humedad y la temperatura, se suelen usar sistemas de refrigeración que usan agua fría. ST sustituyó éstos en su planta de Cantania (Italia), por sistemas inteligentes que no necesitan los mismos flujos acuíferos, por lo que reducen el consumo de los enfriadores. Solo con ese cambio, se llegaron a ahorrar 720.000 kWh/año, unos 50.000€/año en la factura de energía eléctrica. El equipo inteligente solo costó unos 46.000€, por lo que en menos de un año estaría amortizado…

TSMC también anunció que quiere llegar a cero emisiones netas de carbono a la atmósfera en 2050. Desgraciadamente, ahora no es así. Según cifras de Greenpeace, el 5% de toda la electricidad de Taiwán es consumida por las plantas de TSMC, y se prevé un aumento al 7.2% en 2022.

La UE también se ha marcado el objetivo de reducir las emisiones de carbono netas al a mitad en 2030 y a cero en 2050. Sin embargo, parece haber una lucha entre satisfacer a las voces que se alzan para proteger el planeta y los inversores del sector que no están muy dispuestos a perder dinero, incluso si de ello depende la salud y la vida de millones de personas y seres vivos…

En este sentido, que las fabricas gestionen de manera más eficiente la regulación de temperatura, la presión del aire y la humedad de las salas limpias podría suponer un gran paso para ahorrar energía. Incluso la captura de datos y el aprendizaje automático podrían contribuir a apagar herramientas cuando no son necesarias, etc.

Residuos químicos y gases

La SIA preveía reducir la cantidad de químicos por oblea desde los 130 litros/oblea hasta los 8 litros/oblea en 2012. Las previsiones a veces han sido demasiado optimistas, como ha ocurrido con las del agua consumida. Afortunadamente, las legislación también ha actuado, especialmente la de Europa, prohibiendo/limitando algunas sustancias como el mercurio o el plomo.

Me estoy centrando especialmente en la industria de semiconductores, pero también se podría extender todo esto al sector electrónico en general. Estos químicos no solo son usados en la fabricación de chips, también de PCBs. Por ejemplo:

  • Metales pesados y ligeros (estaño, plomo, cobre,…).
  • Resinas epoxi.
  • Fibra de vidrio y baquelita.
  • Productos cáusticos.
  • Ácidos (clorhídrico, sulfúrico,…).
  • Fluroruros.
  • Amoniaco.
  • Disolventes.
  • Tintas.
  • Barnices dieléctricos.
  • Gases tóxicos (arsina, fosfina, diborano, trifluoruro de boro, tricloruro de boro,…)
  • Otros polímeros.
  • Desechos de productos defectuosos.
  • etc.

Algunos de esos productos se pueden reciclar, otros se deben destruir para que no sean nocivos. Eso pasa por el tratamiento en puntos especializados en los que se les aplicará el tratamiento adecuado (destrucción térmica, electrólisis, filtración,…).

Algunos ejemplos prácticos de este compromiso los tienes en Global Foundries, que sustituyó las cajas de cartón blanco por las de cartón reciclado, se sustituyeron plásticos de origen petrolífero por otros de origen vegetal, bajaron un 50% las emisiones de PFC, eliminaron el uso de RLH, etc.

Para hacerte una idea, en EE.UU., solo la fábrica de Intel en Arizona produjo casi 15.000 toneladas de desechos en los tres primeros meses de 2021. Aproximadamente, el 60% de ellos eran peligrosos. También se sabe que consumió más de 3500 millones de litros de agua dulce, suficiente para llenar unas 1400 piscinas olímpicas, y utilizó 561.000.000 KWh de energía.

Fotoresinas

La fotolitografía es uno de los procesos más críticos en la industria de semiconductores, y los fotoprotectores, fotoresinas, o fotoresistencias, o como las quieras llamar, son altamente importantes. En estas etapas también se puede mejorar mucho, como con el uso de nuevos compuestos secos. Una tecnología que anunció el fabricante de equipos de procesamiento de semiconductores LAM, y que desarrolló en colaboración con IMEC y ASML.

Este proceso seco difiere del húmedo que es el empleado en todas las fabs actuales (TSMC, Intel, Samsung, Micron, GlobalFoundries, SK Hynix,…). Actualmente, Tokyo Electron (TEL) es la que más perderá con la adopción de esta nueva tecnología, ya que es el actual líder de equipamiento para proceso húmedo y revelado.

Para los que aún no saben qué es la fotoresina, se trata de una sustancia química fotoresistente que se encuentra suspendida en un disolvente. Este líquido se deposita sobre la oblea y se esparce mediante un spinner girando la oblea rápidamente. El solvente reaccionará químicamente cuando se expone a los fotones de la luz durante la exposición y, en caso de ser una resistencia de tipo positivo el solvente que ha quedado expuesto a la luz se eliminará durante la fase de ataque químico o lavado. En caso de ser negativa, será la que no ha quedado expuesta a la luz la que se eliminará, ya que el expuesto habrá quedado «endurecido».

Además, con las nuevas técnicas EUV y para futuros nodos de 3nm o inferiores, aparecen unos efectos estocásticos con el proceso húmedo que también se podría mitigar con el proceso seco. Y es que el proceso húmedo puede hacer que las líneas de grabado se vuelvan inestables y colapsen, y que los bordes tengan cierta rugosidad que generará patrones poco precisos. Todo eso se puede corregir con el proceso seco.

Pero lo más positivo del proceso seco, y lo que más interesa para este artículo, es que requiere una cantidad significativamente menor de productos químicos y energía. Una ventaja que podría hacer que LAM genere un negocio de 1500 millones de dólares en los próximos 5 años vendiendo este tipo de equipos para el proceso seco. Y podría convertirse en un negocio muy superior a finales de la década…

Gases

Los gases también merecen un subapartado especial. Es otro de los problemas durante la fabricación de chips. Se producen vapores, muchos de ellos con un impacto climático significativo.

TSMC ya anunció que implementaría instalaciones para tratar las emisiones de gases. Pero este no es el único, ni el mejor camino, ya que esas instalaciones también tienen un impacto en consumo. Otra vía es sustituir esos gases de limpieza más sucios por otros más limpios. Por ejemplo, los gases empleados para grabar patrones y limpiar la superficie de la oblea.

La empresa Air Liquide de París ha creado una línea de gases de grabado alternativos con menor impacto en el calentamiento global. Aunque es cierto que reemplazar todos los gases será un gran desafío debido a que se necesitan estudios para optimizar los procesos y usar esos nuevos gases con la precisión con la que se usan los actuales, ya que una mínima desviación puede suponer chips defectuosos dado el tamaño de los dispositivos fabricados. Y una vez que las fabs tienen su «receta», no suelen querer cambiarla.

Sin embargo, muchos expertos y analistas creen que los fabricantes terminarán modificando sus líneas de producción e incorporando gases más ecológicos. Especialmente si lo hacen industrias como TSMC, ya que eso podría generar un impulso para que los demás también sigan los pasos del líder actual y lo hagan para demostrar que también pueden ser más «verdes».

Definitivamente tienen el dinero para hacerlo, sus márgenes de beneficios son muy grandes. Aunque las medidas para reducir la huella en el medioambiente tiene un costo, ellos pueden pagarlo. Más aún si los clientes cada vez están dispuestos a pagar más por dispositivos más ecológicos…

Otros

A parte de todo lo comentado hasta el momento, también hay otros detalles interesantes para mejorar estas factorías. Quizás los objetivos de estos sean otros, pero indirectamente también pueden estar contribuyendo a una fábrica más limpia:

  • Sistemas de prevención y extinción de incendios: al usarse productos químicos y materiales inflamables, este tipo de sistemas también puede vitar la liberación a la atmósfera de vapores por la quema de estos materiales. Para esto, se suelen usar sistemas avanzados de detección HPLS.
  • Sistemas de detección de fugas: uso de sensores de gases, sensores electroquímicos, etc. Todo para detectar a tiempo fugas de gases químicos, líquidos o radiación.
  • Protección y seguridad: tanto para el personal que trabaja allí, como sistemas de filtrado en chimeneas o tratamiento del aire con vapores químicos (COV, gases de limpieza, ácidos y disolventes), uso de canalizaciones reforzadas de doble pared para los conductos que transportan los químicos, reciclado subproductos (fluidos de soldadura, resinas, ácidos, plásticos,…), etc.

Isaac

Apasionado de la computación y la tecnología en general. Siempre intentando desaprender para apreHender.

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