不是一个模子刻出来的
德克萨斯仪器公司正在德克萨斯州建造一个创新的新百万平方英尺的微芯片制造工厂，多亏了落基山研究所．克里斯蒂娜页面
保罗·韦斯特布鲁克很乐意带你看看他的房子。这是一个位于德克萨斯州美景镇的被动式太阳能建筑，它使用了该地区传统家庭三分之一的电力和不到四分之一的水。它有超级窗户，有氧化粪池处理系统，主动太阳能热水加热，地热热泵加热系统，和一对1600加仑的雨水罐。它的设计细节、有利的经济效益和仔细衡量的性能都已公布在线．
实现资源效率和信息共享是威斯布鲁克的两个天才。当他不在家里向人们展示节能设计、系统和设备时，他就努力把这些创新带到他的公司——德州仪器公司，他是这家公司的可持续设计经理。
当韦斯特布鲁克遇到从耗电大的阴极射线管电脑屏幕转换为平板显示器的成本效益的质疑时，他写了一份详尽的电子表格，展示了整个公司从能源和其他节约中获得的好处。但他心中有更远大的目标。2001年，落基山研究所(Rocky Mountain Institute)首席执行官埃莫里•洛文斯(Amory Lovins)在“达拉斯可持续发展”(Sustainable Dallas)活动上发表演讲时，威斯布鲁克邀请他到TI的高效“晶片厂”(即微芯片制造工厂)上发表演讲。2003年春，Amory回到TI;围观的人群越来越多，人们的兴趣也越来越大。为了提高人们对可持续发展和整体系统设计机会的认识，威斯布鲁克把三名TI的副总裁带到他家，向他们必威体育2018展示他的公用事业账单(正如RMI在其高效的总部所做的那样)。这引起了他们的注意，并让他们开始谈论对公司的影响。威斯布鲁克指出:“这有助于证明，应用良好的设计可以以最小的资本投资实现更高效的系统。”
一年半后,2004年11月18日在理查森,德克萨斯州,TI在先进的破土动工,高效、万平方英尺芯片工厂(包括220000平方英尺的洁净室),设计部分与思想产生在为期三天的charrette1落基山研究所。
RMI以前为芯片制造商工作过，主要是为另一家世界领先企业，意法半导体．在1998-2000年期间，RMI的专家调查了8家ST晶片厂，发现了巨大的潜在节省和快速的回报。果然，意法半导体(就像IBM和杜邦一样)每年都将单位产量的能耗降低6%，并在2-3年内收回成本。但在德州仪器，RMI有一个宝贵的机会，帮助从头开始设计一个新的芯片厂，这比改造旧的芯片厂节省更多，成本更低。通常，在繁荣与萧条的芯片行业，重新设计下一个晶圆厂要么为时过早，要么为时太晚;从来就没有什么好时机。但威斯布鲁克敏锐地选择了时机进行干预，并及时与RMI合作，改变了公司及其设备供应商和咨询工程师的设计思路。
当德州仪器的管理人员第一次开始讨论他们的新设施时，可持续性并不是他们最关心的事情。必威体育2018晶圆厂是复杂的，极度的资本密集型(通常几十亿美元)和高度的能源密集型。在有气候控制的“洁净室”内，许多亚微观芯片层(其特征比流感病毒还要小)被外来的高科技“工具”蚀刻、溅射并烘烤到硅片上。芯片制造对干扰和污染极其敏感。可靠性至关重要，生产中断每天的成本可能超过100万美元。工人们必须穿着舒适的特制工作服，防止灰尘和棉絮进入超干净的空气中(最小的微粒都可能毁掉直径不足十万分之一英寸的芯片)。这些工具对精确控制温度和湿度的需求可能更加关键。
为了在成本上竞争，德州仪器正认真考虑在海外建造新设备。当然，fab的高成本不仅仅是由于其专业的工具，还因为其精密设备的规模和复杂性，这些设备可以提供充足的冷冻水、清洁空气、洗涤排气、真空和其他“公用事业”。更节俭地使用这些服务可以使晶圆厂成本更低、工作得更好、建造得更快，并赢得市场。-- --在2003年，Chris Lotspeich，他领导了RMI的大部分ST工作，很好地总结了芯片厂的挑战:-
现在困难的部分来了:透明国际的工程师和设计师被告知要在之前的项目上削减30%的建筑和公用事业成本。威斯布鲁克说:“成本问题本可以成为一个大问题，但最终却带来了好处。我们不得不重新设计许多项目。它让我们有机会分析旧的假设，挑战一些传统智慧。RMI首席执行官艾默里•洛文斯(Amory Lovins)称其为“古老的维多利亚式工程”——从单一支出中榨取多重利益的艺术。
通过推动革命性的变革和抛弃渐进的渐进设计，降低30%的资本成本的目标给了威斯布鲁克和他的无资金支持的“Fabscape”可持续设计团队一个测试最创新想法的机会。必威体育2018从2002年开始，该团队每两周开会一次，产生了一系列最先进的概念。
他们不断增加的白皮书很快就成为了一个令人信服的理由，需要一个自由但有纪律的设计过程来提炼出一些有用的东西。因此，在2003年12月，一个RMI顾问团队来帮助德州仪器泡制并将数百个漂亮的想法提炼成12个“大Honkin’Ideas”——这些概念可以从根本上改变德州仪器设计和建造晶圆厂的方式，以及德州仪器与工业伙伴合作的方式。
一个晶圆厂充满了由神秘的专业供应商制造的精致复杂的工具。在指定工具时，很少考虑能源效率。因为流程和可靠性要求，客户很少要求效率，而不愿支付公用事业账单的工具制造商，根本就不习惯提供效率。并不是说他们不能;相反，从来没有人问过他们。
然而，累积效应所有消耗的功率所有fab的工具和设备引导charrette参与者追踪每个工具消耗的每瓦特能量如何最终成为必须被移除的热量，使冷却设备更大和耗电——总的现值成本约为每瓦特7美元!因此，最大的成功不是简单地提高冷却设备的效率，而是通过购买释放更少热量的高效工具，使其更小、更简单。设备的大小将由测量，而不是猜测:正如RMI的设计师所说(借用通用汽车)，“我们相信上帝;其他人都带来了数据。”
储蓄迅速开始繁殖和增加。几乎两倍效率的真空泵，在等待晶片时被削减到闲置速度，节省了300吨制冷机的容量和工厂总电力的7%。真空泵供应商最初对提高效率的要求感到吃惊，但很快就看到了业务逻辑。优化温度和压力降，可节省五分之一的内部冷却工具的冷却水流量。智能排气系统每分钟节省了100,000立方英尺(cfm)的排气和它的替代品(调节的新鲜空气)——每一个的现值为62美元。内部冷却工具与热交换器设计，以减少压力和温度损失，串联成每分钟减少3000加仑的中央过程冷却水系统，节省资金和运行成本。
随着工作坊后设计的进展，越来越明显的是，更智能的工具及其更小、更有效的支持系统将会节省能源和水资源。结果包括一个分裂的冷却装置，可以为不同的目的将水冷却到两个不同的温度(进一步的创新甚至可能在下一个晶圆厂中消除两个部分中的一个);高效风机过滤装置，用于空气再循环;将进入的热空气与流出的冷空气预冷;大管道和小泵减少摩擦和资金成本;办公区域的自然采光和高效照明装置;太阳能热水;一个反射屋顶;以及广泛的水循环利用和再利用(回收利用每天将节省近一百万加仑的城市水)。回收之前被丢弃的热量，并使用高压水喷雾而不是蒸汽进行加湿，将6台锅炉减少到1台加1台备用——这两个锅炉将在一年中的大部分时间关闭——减少了60%的氮氧化物排放。
尽管该工厂将在任何人都无法确定之前建成并运行，但韦斯特布鲁克预测，与德州仪器之前的晶圆厂相比，新工厂将减少20%的能源使用和35%的水使用。大约一半的节省来自于更好的工具及其直接支持设备，以及更小、更节约的公用事业和建筑系统。
“全系统工具设计”并不是研讨会中出现的唯一突破性想法。例如，TI决定为洁净室工人测试更轻的工作服。颗粒测试显示，取消口罩应该不会影响产品质量，而且可以让工人在减少寒冷的环境下更舒适。
研讨会探讨的一些设计特色是非工业建筑绿色设计的标准组成部分，并提供了巨大的经济效益。例如，每个无水小便池每年将节省4万加仑的水，加上不安装冲洗阀和水管的资本成本，有助于干旱气候下的用水密集型行业。像eQUEST3这样的能源建模软件可以让设计师立即测试他们的想法会如何改变性能:例如，将行政大楼旋转30°每年可以在空间冷却方面节省约3万美元。
参与者的各种热情迅速集中在赢得一个高LEED(能源和环境设计领导)评级——一个系统的方式，在RMI的帮助下发展，为好的设计元素得分。正如威斯布鲁克所指出的，“人的竞争天性是一种强大的力量，可以用来做好事。”我们喜欢节约能源和减少排放——我们喜欢这样做得到一分。”
对LEED的关注似乎对TI很有效。该公司将在与leed相关的项目上投资200 - 300万美元，其中大部分是提高能效的项目。这项投资预计在第一年就能收回75万美元的运营成本，如果全部建成，每年将节省300多万美元。
看看在德克萨斯的这三天会有什么收获是令人兴奋的。到目前为止，RMI与ST微电子的改造工作，Lotspeich写道，“发现了潜在的暖通空调节能30%-50%，以及其他节能机会。”总的来说，这些改造的回收期不到两年。”但是，设计一个新的晶圆厂，就能在第一时间做出正确的决定，提供了更大的空间:低摩擦的管道和管道，以瞬间所需的速度运行电机的控制，甚至通过利用凉爽或干燥的外部空气来免费冷却。在ST位于米兰附近的工厂中，这种系统“运行成本比传统冷却系统低80%，每年可节省50万美元，根据天气情况需要1到3年的回报。”
最后，这样的基本利益导致TI采纳了Fabscape团队的十几个大Honkin’想法中的大部分(尽管有些想法有待进一步的测试和分析)。所有的能源和水资源节约使净资本成本几乎为零——最多增加1%，但很有可能是下降了。按照要求，每平方英尺的总资本成本比正常水平低30%，超出了行业标准，并将新工厂留在了美国。
2005年3月15日，由领先的芯片制造商应用材料赞助，Amory Lovins将在上海举办的中国半导体博览会上介绍德州仪器的突破。他的目标是:进一步促进中国的设计改进。中国有聪明的工程师，污染严重，电力和水稀缺，迫切希望超越西方。这样的竞争对世界是有好处的，还有更多的机会有待发掘。下一个工厂能设计得更好，节省50%的能源吗?百分之七十?百分之八十?让我们找出答案。在下一代的工具和系统设计中出现了这种根本性的节约，它们可能会工作得更好，成本更低。有了保罗·韦斯特布鲁克(Paul Westbrook)这样专注的创新者和他卓越的团队，我们开始了竞赛——帮助世界上增长最快、最先进的行业之一将各种形式的浪费减少到零。
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克里斯蒂娜·佩奇是落基山研究所．
感谢RMI，这篇文章已被转载。它第一次印刷在2005年春季版RMI的解决方案时事通讯。
保罗·韦斯特布鲁克很乐意带你看看他的房子。这是一个位于德克萨斯州美景镇的被动式太阳能建筑，它使用了该地区传统家庭三分之一的电力和不到四分之一的水。它有超级窗户，有氧化粪池处理系统，主动太阳能热水加热，地热热泵加热系统，和一对1600加仑的雨水罐。它的设计细节、有利的经济效益和仔细衡量的性能都已公布在线．
实现资源效率和信息共享是威斯布鲁克的两个天才。当他不在家里向人们展示节能设计、系统和设备时，他就努力把这些创新带到他的公司——德州仪器公司，他是这家公司的可持续设计经理。
当韦斯特布鲁克遇到从耗电大的阴极射线管电脑屏幕转换为平板显示器的成本效益的质疑时，他写了一份详尽的电子表格，展示了整个公司从能源和其他节约中获得的好处。但他心中有更远大的目标。2001年，落基山研究所(Rocky Mountain Institute)首席执行官埃莫里•洛文斯(Amory Lovins)在“达拉斯可持续发展”(Sustainable Dallas)活动上发表演讲时，威斯布鲁克邀请他到TI的高效“晶片厂”(即微芯片制造工厂)上发表演讲。2003年春，Amory回到TI;围观的人群越来越多，人们的兴趣也越来越大。为了提高人们对可持续发展和整体系统设计机会的认识，威斯布鲁克把三名TI的副总裁带到他家，向他们必威体育2018展示他的公用事业账单(正如RMI在其高效的总部所做的那样)。这引起了他们的注意，并让他们开始谈论对公司的影响。威斯布鲁克指出:“这有助于证明，应用良好的设计可以以最小的资本投资实现更高效的系统。”
一年半后,2004年11月18日在理查森,德克萨斯州,TI在先进的破土动工,高效、万平方英尺芯片工厂(包括220000平方英尺的洁净室),设计部分与思想产生在为期三天的charrette1落基山研究所。
RMI以前为芯片制造商工作过，主要是为另一家世界领先企业，意法半导体．在1998-2000年期间，RMI的专家调查了8家ST晶片厂，发现了巨大的潜在节省和快速的回报。果然，意法半导体(就像IBM和杜邦一样)每年都将单位产量的能耗降低6%，并在2-3年内收回成本。但在德州仪器，RMI有一个宝贵的机会，帮助从头开始设计一个新的芯片厂，这比改造旧的芯片厂节省更多，成本更低。通常，在繁荣与萧条的芯片行业，重新设计下一个晶圆厂要么为时过早，要么为时太晚;从来就没有什么好时机。但威斯布鲁克敏锐地选择了时机进行干预，并及时与RMI合作，改变了公司及其设备供应商和咨询工程师的设计思路。
当德州仪器的管理人员第一次开始讨论他们的新设施时，可持续性并不是他们最关心的事情。必威体育2018晶圆厂是复杂的，极度的资本密集型(通常几十亿美元)和高度的能源密集型。在有气候控制的“洁净室”内，许多亚微观芯片层(其特征比流感病毒还要小)被外来的高科技“工具”蚀刻、溅射并烘烤到硅片上。芯片制造对干扰和污染极其敏感。可靠性至关重要，生产中断每天的成本可能超过100万美元。工人们必须穿着舒适的特制工作服，防止灰尘和棉絮进入超干净的空气中(最小的微粒都可能毁掉直径不足十万分之一英寸的芯片)。这些工具对精确控制温度和湿度的需求可能更加关键。
为了在成本上竞争，德州仪器正认真考虑在海外建造新设备。当然，fab的高成本不仅仅是由于其专业的工具，还因为其精密设备的规模和复杂性，这些设备可以提供充足的冷冻水、清洁空气、洗涤排气、真空和其他“公用事业”。更节俭地使用这些服务可以使晶圆厂成本更低、工作得更好、建造得更快，并赢得市场。-- --在2003年，Chris Lotspeich，他领导了RMI的大部分ST工作，很好地总结了芯片厂的挑战:-
- 晶圆厂拥有广泛的采暖、通风和空调(HVAC)系统，配备高性能过滤器，在过滤空气中的颗粒的同时，精确地保持洁净房间的温度和湿度。风扇、水泵、炉子和冷却器通过管道将空调空气和冷却水输送到洁净室。根据晶圆厂的大小，晶圆厂需要3到30兆瓦的电力HVAC系统消耗了工厂30%-50%的电力;工具使用另外40%左右。能源只占芯片成本的一小部分，但电力可能是芯片制造商最大的单一(非人工)运营成本，单个芯片制造厂每年总计数百万美元。此外，节能措施可以改善关键的运行参数(产量，安装时间，灵活性)，在新工厂可以节省资金和建设时间，这是竞争力的关键因素。
- 尽管有伟大的创新，但半导体制造由于严格的工艺要求、安全风险、高停机成本和快速变化的市场中的残酷竞争，形成了一种规避风险的企业文化。实现生产和上市时间目标需要对数千个变量的非凡控制。当某样东西工作时，它会被精确地复制。公司在建造新的晶圆厂时也会“完全复制”以前的晶圆厂。这节省了一些时间和初始成本，但阻碍了洁净室以外的改进，包括能源效率特性，从而提高了运营成本。有些讽刺的是，先进的技术是在几十年前设计的建筑中制造的，因此这些建筑现在提供了巨大的节能和省钱潜力。
现在困难的部分来了:透明国际的工程师和设计师被告知要在之前的项目上削减30%的建筑和公用事业成本。威斯布鲁克说:“成本问题本可以成为一个大问题，但最终却带来了好处。我们不得不重新设计许多项目。它让我们有机会分析旧的假设，挑战一些传统智慧。RMI首席执行官艾默里•洛文斯(Amory Lovins)称其为“古老的维多利亚式工程”——从单一支出中榨取多重利益的艺术。
通过推动革命性的变革和抛弃渐进的渐进设计，降低30%的资本成本的目标给了威斯布鲁克和他的无资金支持的“Fabscape”可持续设计团队一个测试最创新想法的机会。必威体育2018从2002年开始，该团队每两周开会一次，产生了一系列最先进的概念。
他们不断增加的白皮书很快就成为了一个令人信服的理由，需要一个自由但有纪律的设计过程来提炼出一些有用的东西。因此，在2003年12月，一个RMI顾问团队来帮助德州仪器泡制并将数百个漂亮的想法提炼成12个“大Honkin’Ideas”——这些概念可以从根本上改变德州仪器设计和建造晶圆厂的方式，以及德州仪器与工业伙伴合作的方式。
一个晶圆厂充满了由神秘的专业供应商制造的精致复杂的工具。在指定工具时，很少考虑能源效率。因为流程和可靠性要求，客户很少要求效率，而不愿支付公用事业账单的工具制造商，根本就不习惯提供效率。并不是说他们不能;相反，从来没有人问过他们。
然而，累积效应所有消耗的功率所有fab的工具和设备引导charrette参与者追踪每个工具消耗的每瓦特能量如何最终成为必须被移除的热量，使冷却设备更大和耗电——总的现值成本约为每瓦特7美元!因此，最大的成功不是简单地提高冷却设备的效率，而是通过购买释放更少热量的高效工具，使其更小、更简单。设备的大小将由测量，而不是猜测:正如RMI的设计师所说(借用通用汽车)，“我们相信上帝;其他人都带来了数据。”
储蓄迅速开始繁殖和增加。几乎两倍效率的真空泵，在等待晶片时被削减到闲置速度，节省了300吨制冷机的容量和工厂总电力的7%。真空泵供应商最初对提高效率的要求感到吃惊，但很快就看到了业务逻辑。优化温度和压力降，可节省五分之一的内部冷却工具的冷却水流量。智能排气系统每分钟节省了100,000立方英尺(cfm)的排气和它的替代品(调节的新鲜空气)——每一个的现值为62美元。内部冷却工具与热交换器设计，以减少压力和温度损失，串联成每分钟减少3000加仑的中央过程冷却水系统，节省资金和运行成本。
随着工作坊后设计的进展，越来越明显的是，更智能的工具及其更小、更有效的支持系统将会节省能源和水资源。结果包括一个分裂的冷却装置，可以为不同的目的将水冷却到两个不同的温度(进一步的创新甚至可能在下一个晶圆厂中消除两个部分中的一个);高效风机过滤装置，用于空气再循环;将进入的热空气与流出的冷空气预冷;大管道和小泵减少摩擦和资金成本;办公区域的自然采光和高效照明装置;太阳能热水;一个反射屋顶;以及广泛的水循环利用和再利用(回收利用每天将节省近一百万加仑的城市水)。回收之前被丢弃的热量，并使用高压水喷雾而不是蒸汽进行加湿，将6台锅炉减少到1台加1台备用——这两个锅炉将在一年中的大部分时间关闭——减少了60%的氮氧化物排放。
尽管该工厂将在任何人都无法确定之前建成并运行，但韦斯特布鲁克预测，与德州仪器之前的晶圆厂相比，新工厂将减少20%的能源使用和35%的水使用。大约一半的节省来自于更好的工具及其直接支持设备，以及更小、更节约的公用事业和建筑系统。
“全系统工具设计”并不是研讨会中出现的唯一突破性想法。例如，TI决定为洁净室工人测试更轻的工作服。颗粒测试显示，取消口罩应该不会影响产品质量，而且可以让工人在减少寒冷的环境下更舒适。
研讨会探讨的一些设计特色是非工业建筑绿色设计的标准组成部分，并提供了巨大的经济效益。例如，每个无水小便池每年将节省4万加仑的水，加上不安装冲洗阀和水管的资本成本，有助于干旱气候下的用水密集型行业。像eQUEST3这样的能源建模软件可以让设计师立即测试他们的想法会如何改变性能:例如，将行政大楼旋转30°每年可以在空间冷却方面节省约3万美元。
参与者的各种热情迅速集中在赢得一个高LEED(能源和环境设计领导)评级——一个系统的方式，在RMI的帮助下发展，为好的设计元素得分。正如威斯布鲁克所指出的，“人的竞争天性是一种强大的力量，可以用来做好事。”我们喜欢节约能源和减少排放——我们喜欢这样做得到一分。”
对LEED的关注似乎对TI很有效。该公司将在与leed相关的项目上投资200 - 300万美元，其中大部分是提高能效的项目。这项投资预计在第一年就能收回75万美元的运营成本，如果全部建成，每年将节省300多万美元。
看看在德克萨斯的这三天会有什么收获是令人兴奋的。到目前为止，RMI与ST微电子的改造工作，Lotspeich写道，“发现了潜在的暖通空调节能30%-50%，以及其他节能机会。”总的来说，这些改造的回收期不到两年。”但是，设计一个新的晶圆厂，就能在第一时间做出正确的决定，提供了更大的空间:低摩擦的管道和管道，以瞬间所需的速度运行电机的控制，甚至通过利用凉爽或干燥的外部空气来免费冷却。在ST位于米兰附近的工厂中，这种系统“运行成本比传统冷却系统低80%，每年可节省50万美元，根据天气情况需要1到3年的回报。”
最后，这样的基本利益导致TI采纳了Fabscape团队的十几个大Honkin’想法中的大部分(尽管有些想法有待进一步的测试和分析)。所有的能源和水资源节约使净资本成本几乎为零——最多增加1%，但很有可能是下降了。按照要求，每平方英尺的总资本成本比正常水平低30%，超出了行业标准，并将新工厂留在了美国。
2005年3月15日，由领先的芯片制造商应用材料赞助，Amory Lovins将在上海举办的中国半导体博览会上介绍德州仪器的突破。他的目标是:进一步促进中国的设计改进。中国有聪明的工程师，污染严重，电力和水稀缺，迫切希望超越西方。这样的竞争对世界是有好处的，还有更多的机会有待发掘。下一个工厂能设计得更好，节省50%的能源吗?百分之七十?百分之八十?让我们找出答案。在下一代的工具和系统设计中出现了这种根本性的节约，它们可能会工作得更好，成本更低。有了保罗·韦斯特布鲁克(Paul Westbrook)这样专注的创新者和他卓越的团队，我们开始了竞赛——帮助世界上增长最快、最先进的行业之一将各种形式的浪费减少到零。
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克里斯蒂娜·佩奇是落基山研究所．
感谢RMI，这篇文章已被转载。它第一次印刷在2005年春季版RMI的解决方案时事通讯。
