全球最大芯片工厂Terafab：自建粒子加速器EUV光源，全天然气发电

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）马斯克在今年3月正式宣布启动Terafab超级芯片工厂项目，整合了晶圆厂、封测、设计和光罩制造等在同一园区，实现极致的垂直整合，计划为SpaceX和特斯拉提供所需的算力、存储芯片。

Terafab超级芯片工厂效果图，来源：SpaceX.com

在上周四8月6日，特斯拉和SpaceX官宣，Terafab将在美国得克萨斯州格莱姆斯县建设。马斯克称追求将其打造成一座科幻城市，规划建筑面积超过1亿平方英尺（约930万平方米），首期投资168亿美元，远期总投资可能高达1190亿美元。

虽然刚刚动工建设，但从目前曝光的消息来看，Terafab相比普通晶圆厂有不少差异或是“创新点”，包括近期透露的能源以及光刻光源方面的选择。

独立于公共电网，完全采用天然气发电

作为一个极致垂直整合的芯片制造工厂，用电量规模相比传统的晶圆厂更为庞大。对于晶圆厂而言，对于能源供应的需求，一方面是用电量巨大，一座先进制程的逻辑晶圆厂，连续用电功率可能达到200MW至600 MW。尤其现有EUV光刻机本身LPP光源效率极低，进一步推高了电力需求。

另一方面，是供电的可靠性和高质量，哪怕短暂的电压波动或停电，都可能导致整批晶圆报废，损失可达千万元甚至以亿元计。现有的晶圆厂几乎都依赖于公共电网，但在工厂内部构建了多层的冗余。

首先从外部电网中，引入多路的独立输电线路，防止单一线路故障导致停电；另外在工厂内部通过UPS、柴油/燃气轮机发电机、储能系统等，在电网长时间停电时可通过部分自主供电维持工厂运转。

虽然马斯克已经在社交媒体上透露，Terafab将采用FEL（自由电子激光）作为EUV光刻机的光源，效率相比现有的LPP（激光等离子体）光源要高得多，但供电依然是一个严峻的考验。

从美国多家科技巨头部署AI数据中心的阻碍也能够看出，当前由于AI数据中心用电量激增，对公共电网带来了巨大的冲击，从电价到电网基础设施，都已经无法满足AI数据中心的需求。

而Terafab选择的是，完全采用天然气发电。纵观马斯克旗下企业近两年的能源布局，从2024年起，xAI位于孟菲斯的Colossus数据中心几乎完全依赖燃气轮机运行。不过，其中27台未取得许可的涡轮机因每年排放超1700吨氮氧化物和19吨甲醛，遭到NAACP等环保组织联合起诉。

今年7月，马斯克个人以约10亿美元收购燃气轮机企业APR Energy，一举获得超过1吉瓦的发电能力。SpaceX另行承诺投入28亿美元采购燃气轮机。如今Terafab的自建天然气电厂，是这条链条上的最新一环。

Terafab工厂选址在已退役的燃煤电厂旧址，附近有现成基础设施，比如有水库用于冷却/循环用水。因此自建气电可以快速落地，匹配工厂建设进度。

看起来这一切都很符合常规，但这件事中引起争议的点是，近期特斯拉正在公开推销其“太阳能加储能”作为AI用电的解决方案。今年6月，特斯拉与Sunrun推出规模达16吉瓦的虚拟电厂，直接将数据中心列为目标客户。xAI今年早些时候还花费2.69亿美元采购特斯拉Megapack储能设备。

当然，从太阳能的能源稳定性来看，并不符合芯片制造的需求。太阳能是间歇性能源，即便搭配电池储能，也无法保证全天候不间断供电。在吉瓦级负荷下，用电池存储足够夜间使用的太阳能，无论成本还是工程量都不现实。天然气电厂则可以全天候稳定输出，配合电池做调峰和瞬时备份，形成可靠的供电组合。

需要再次强调的是，Terafab并不是唯一采用天然气发电的“巨型项目”。Google、Meta、微软近期都在推进同类天然气电厂项目，得州已有超过70吉瓦的“自带电力”数据中心容量在规划中。

当AI算力竞赛的建设速度远超电网扩容速度，天然气成为全行业不约而同的选择。同时在当前政治气候下，天然气电厂在美国面临的监管阻力被大幅降低，这对急于投产的企业无疑是有利窗口。

要在芯片工厂中造一个粒子加速器？

在马斯克此前发布的Terafab工厂渲染图中，工厂中央出现了一个巨大的圆环结构，有网友发现了这点，指出这可能是一台粒子加速器。

随后，马斯克回应“FEL FTW”（Free Electron Laser For The Win），也就是“自由电子激光器，必胜！”。这也意味着Terafab确认了其EUV光刻机光源将采用FEL，而不是现有ASML所采用的LPP光源。

现有LPP光源是通过高功率CO₂激光反复轰击锡微滴，产生等离子体后发出13.5 nm附近波长的EUV光。

自由电子激光的核心思路，是让“自由的电子”自己发光。工作步骤大概是，首先用电子枪把电子从原子中剥离，形成自由电子束；通过足够长度的粒子加速器，将电子加速到接近光速；让高速电子穿过一段由交替排列磁铁组成的“波动器”；磁场迫使电子做波浪形运动，电子在运动过程中辐射出电磁波；当电子束与自身辐射的光发生相互作用后，会形成相干放大，最终输出高强度、高纯度的激光。

而这种激光器的优势是，通过调节电子能量和磁铁间距，FEL可以精确控制输出波长。对芯片制造而言，它可以直接调到13.5纳米的EUV波段，甚至未来可进一步缩短到更短的波长。

更重要的是，虽然FEL肉眼可见占地面积巨大，但由于功率更大、能效更高，一台加速器甚至可以集中供光给超过20台光刻机，甚至还有未来灵活升级的空间。

可以说，LPP就类似于挂壁空调，单机输出功率有限，一个房间需要配备一台；FEL就像中央空调，一台可以满足多个房间需求。

Terafab采用FEL，核心是与其规模有关。在LPP架构下，光源是光刻机的一个内部组件，与整机绑定销售。芯片厂每增加一台光刻机，就要为整套光源系统付费。而在FEL架构下，光源变成了一台“大型中央空调”，先建一座加速器，再通过光路网络分发到各台光刻机。

这种转变对Terafab这种超大规模晶圆厂尤其有利。Terafab规划年产1太瓦算力，需要数十台光刻机满负荷运转。在LPP架构下，这意味着数十套昂贵光源系统的采购和维护成本；在FEL架构下，只需一座加速器就能覆盖全部需求，边际成本随光刻机数量增加而递减。

不过，目前FEL还未有真正被用到芯片制造的商业落地案例，实际上目前不单只Terafab，业界还有多家企业和研究机构在尝试这一路线。

比如大连相干光源（DCLS），由中科院大连化学物理研究所与上海应用物理研究所联合建设，是中国第一台自由电子激光用户装置，也是目前全球唯一专门运行在EUV波段（50-150 nm）的FEL设施。不过目前主要用于基础科学研究领域，比如星际化学、大气环境、生物医药等。

另外，美国初创公司xLight则是目前最接近商用的玩家，xLight的原型系统声称已实现1000瓦EUV输出，计划在纽约州Albany NanoTech建设原型机，目标2028年完成验证、2029年推出商用系统。该公司明确表示其FEL光源并非取代ASML设备，而是作为外接模块与现有EUV光刻机整合，每套设施配备两套独立加速器确保冗余。

TAU Systems 同样是正在研发FEL光源，但走的是激光尾场加速（LWFA）驱动的紧凑型FEL路线，强调把加速器缩小到“房间级”甚至集装箱尺寸，而不是传统大型直线加速器或同步加速器。

日本高能加速器研究机构（KEK）正在探索基于能量回收直线加速器（ERL）的FEL-EUV方案，已完成理论验证和部分实验。ERL的特点是回收加速电子的能量用于加速下一批电子，能效更高。

小结

Terafab从整体理念上看非常激进，从能源到光源再到规模，本质上就是对于芯片需求规模的一场对赌。在传统晶圆厂月产数万到十万片晶圆的规模下，LPP架构的分散式光源虽然昂贵但可承受，FEL的集中式优势不足以抵消其初始投资和风险。这就是为什么台积电、三星和Intel没有率先押注FEL，他们的客户需求多元且分散，不需要为一座工厂赌上整个光源路线。

马斯克曾在今年3月的Terafab发布会上表示，“如果你把地球上所有晶圆厂加起来，它们总共只占Terafab项目所需的大约 2%。”这样的规模已经彻底颠覆现有的晶圆厂模式。这条路没有先例，但如果走通了，它改变的不只是Terafab，而是整个半导体产业芯片制造的逻辑都要重新定义。

全球最大芯片工厂Terafab：自建粒子加速器EUV光源，全天然气发电图3