Quer vencer uma guerra de chips? Você vai precisar de muita água

Para vencer guerra de chips, precisa de muita água

A construção de uma fábrica de semicondutores requer enormes quantidades de terra e energia, além de algumas das máquinas mais precisas do planeta para operar. A complexidade das fábricas de chips, como são chamadas, é uma das razões pelas quais o Congresso dos Estados Unidos comprometeu mais de US$ 50 bilhões no ano passado para impulsionar a produção de chips no país, a fim de tornar o país mais independente tecnologicamente. No entanto, à medida que os Estados Unidos buscam aumentar a produção de fábricas de chips, também precisa obter mais de um recurso menos óbvio: água. Pegue o ambicioso plano da Intel de construir um mega-site de US$ 20 bilhões perto de Columbus, Ohio. A área já possui três estações de tratamento de água que juntas fornecem 145 milhões de galões de água potável por dia, mas autoridades estão planejando gastar bastante em uma quarta estação para, pelo menos em parte, acomodar a Intel.

A água pode não parecer um ingrediente convencional na fabricação de eletrônicos, mas desempenha um papel essencial na limpeza das lâminas, ou wafers, de silício que são cortadas e processadas em chips de computador. Segundo o Centro de Segurança e Tecnologia Emergente de Georgetown (CSET), uma única fábrica de chips pode usar milhões de galões em um único dia, aproximadamente a mesma quantidade de água que uma pequena cidade usa em um ano.

As empresas de chips que esperam aproveitar a Lei CHIPS and Science, pacote de gastos federais do ano passado destinado a impulsionar a fabricação de chips nos Estados Unidos, estão agora construindo novas instalações de tratamento de água ao lado de suas fábricas. E as cidades que tentam atrair novas fábricas financiadas pela legislação estão estudando o impacto potencial em seus suprimentos de água. Em alguns lugares, pode ser necessário garantir o abastecimento de água; em outros, é preciso instalar novas infraestruturas para reciclar a água usada pelas fábricas de chips.

“Os líderes locais precisam se envolver em conversas francas com a equipe de recursos hídricos de sua cidade e com a equipe de desenvolvimento econômico para garantir que qualquer novo usuário de alto volume seja adequado para a comunidade”, diz Sarah Porter, diretora do Centro Kyl de Política Hídrica da Universidade Estadual do Arizona.

Em alguns lugares, melhorias na infraestrutura de água já estão em andamento devido às fábricas de chips. Columbus planeja abrir sua quarta estação de tratamento de água em algum momento de 2028, apenas alguns anos depois que o site da Intel está programado para começar a produzir seus primeiros chips. A cidade diz que uma nova instalação de tratamento de água, que coletará água do rio Scioto nas proximidades, é necessária para sustentar o crescimento populacional da área, incluindo a Intel, que está prestes a se tornar a maior consumidora de água da área.

A vários estados de distância, no seco Arizona, a maior fabricante de chips por contrato do mundo, a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), planeja construir uma nova instalação de reciclagem de água para apoiar suas novas fábricas em construção em Phoenix, enquanto também parece obter água de rios próximos e infraestrutura hídrica. Para se preparar para uma fábrica de US$ 100 milhões construída pela fabricante de chips de memória Micron no estado de Nova York, já existem enormes tanques de armazenamento de água, cada um capaz de conter cerca de 15 milhões de galões.

A sede da indústria de chips por água surge da necessidade de manter as lâminas de silício completamente livres de qualquer partícula de poeira ou detrito para evitar a contaminação de seus componentes microscópicos.

Para dar aos chips seus circuitos essenciais, as fábricas usam ferramentas de litografia incrivelmente poderosas, que gravam padrões intricados nas lâminas de silício. Eventualmente, esses grandes discos de silício processado precisam ser cortados em chips de computador individuais pequenos o suficiente para serem embalados em nossos telefones e computadores. Ao longo desses processos, os chips acumulam resíduos que precisam ser removidos lavando-os com água.

O volume necessário pode ser enorme. Nos Estados Unidos, as fábricas de chips usam muito menos água do que as indústrias agrícolas e de geração de energia, e os semicondutores não provocaram tensões políticas em escala nacional em relação aos recursos hídricos, diz Chris Miller, professor de história da Universidade Tufts, em Massachusetts, e autor do livro recente Chip War. Ainda assim, a disponibilidade tem sido uma preocupação na terra natal da TSMC, Taiwan, onde secas colocaram os agricultores locais, que tiveram seus sistemas de irrigação desligados, contra a fabricante de chips.

Nem toda água serve. Assim como o ar dentro de uma fábrica de chips deve estar livre de poeira a ponto de as pessoas terem que usar roupas que as envolvam completamente, a indústria de semicondutores usa uma categoria especial de água “ultrapura” para limpar lâminas de silício ao longo do processo de fabricação. Enquanto a água potável padrão pode ter uma pureza de 100 a 800 microsiemens por centímetro – uma medida de condutividade elétrica usada como um indicador de contaminação – a água ultrapura tem menos de 0,055 microsiemens por centímetro, de acordo com a Gradiant, uma startup de reciclagem de água com sede em Boston que trabalha com fabricantes de chips. A água ultrapura precisa ter uma condutividade extremamente baixa, o que se correlaciona com apenas um pequeno número de íons problemáticos, ou átomos carregados.

“Se você deseja ter o desempenho mais alto possível do material, muitas vezes você tem que buscar uma pureza extrema”, diz Grace Xing, professora de engenharia elétrica e de computação da Universidade Cornell, que também dirige um novo centro de pesquisa em semicondutores chamado SUPREME. “Essa é uma das razões pelas quais a indústria de semicondutores requer muita água”.

Produzir água ultrapura é um processo de várias etapas que remove uma variedade de contaminantes, incluindo micróbios e outras criaturas microscópicas que podem ser encontradas em oceanos e lagos, bem como partículas menores, incluindo íons de sal. Uma técnica utilizada é a osmose reversa, também usada em usinas de dessalinização, que envolve empurrar a água através de uma membrana com poros pequenos o suficiente para filtrar os sais. (As fábricas de chips também usam água menos pura, semelhante à que flui das torneiras domésticas, para resfriar equipamentos de fabricação.) Dado o papel crucial da água na fabricação de chips, recuperar e reutilizar a água residual tornou-se uma prioridade para a indústria. Quanto mais puder ser reutilizado dentro de uma fábrica, menos será necessário recorrer ao abastecimento de água local. No momento, a proporção de água residual que pode ser reciclada varia entre empresas e fábricas, dependendo dos processos de fabricação em uso e do investimento em tratamento de água. Ainda assim, todos eles enfrentam o mesmo problema básico: à medida que as pastilhas são limpas, a água ultrapura fica contaminada e requer uma limpeza completa antes de poder ser reutilizada por uma fábrica ou descarregada em um sistema público de tratamento de águas residuais.

Limpar a água suja é um processo complicado porque uma infinidade de contaminantes pode ser encontrada nas águas residuais da fábrica. A litografia e a corrosão podem produzir águas residuais ácidas e até contaminá-las com ácido fluorídrico poderoso. Partículas de silício suspensas podem aparecer quando as pastilhas são afinadas, enquanto o uso de solventes, incluindo álcool isopropílico, pode deixar resíduos de carbono orgânico.

A indústria desenvolveu maneiras de separar os diferentes componentes dessas águas residuais, de forma semelhante à maneira como a população em geral separa a reciclagem, diz Prakash Govindan, cofundador e COO da Gradiant. “A indústria de semicondutores é realmente muito avançada quando se trata de lidar com águas residuais”, diz ele. “As empresas avançadas, as multinacionais americanas com as quais trabalhamos, mas também as empresas coreanas e taiwanesas com as quais trabalhamos, todas elas segregam suas águas residuais em mais de 10 tipos, no mínimo, e algumas delas em 15 ou 16”.

A partir daí, essas águas residuais podem, por exemplo, ser tratadas para reutilização, redirecionadas para um esgoto ou limpas e redirecionadas para torres de resfriamento.

Os fabricantes de chips estão investindo na melhoria do processo de filtração e limpeza para tornar mais água reutilizável. A Intel, por exemplo, tem como meta o uso líquido positivo de água globalmente até 2030, parte com base em planos para dessalinizar e tratar água do mar e da chuva. Enquanto isso, a Micron pretende conservar 75% por meio de “reutilização, reciclagem e restauração” até o final da década. A Gradiant afirma que, ao ajustar o processo de osmose reversa e usar uma membrana aprimorada e proprietária, conseguiu alcançar uma taxa de recuperação de água de 98%.

Enquanto isso, em um momento de expansão da indústria, as cidades e regiões precisam se preparar para o que a chegada de uma fábrica de chips pode significar para seus sistemas de água e comunidades. Os riscos são altos. Cerca de 85% da água canalizada para uma fábrica de chips acabará deixando as instalações, explica Porter, o especialista em política de água da Arizona State. Por exemplo, embora a chegada de fábricas de chips não tenha afetado a disponibilidade de água no estado, a cidade de Phoenix tem um plano para transformar águas residuais em água potável.