செல்போன், கணினியை இயக்கும் சிறிய Chip-க்கு இவ்வளவு தண்ணீர் தேவையா?

ஒரு சிறிய Chip-க்கு தண்ணீர் ஏன் தேவை?

அந்தச் சிறிய Chip-ன் பின்னால் இருக்கும் பிரம்மாண்டமான அறிவியல் உலகம்!

நாம் இன்று பயன்படுத்தும் Smartphone, Laptop, Car, Satellite, Medical Equipment என நவீன உலகின் பெரும்பாலான தொழில்நுட்பங்களின் இதயத்தில் இருப்பது ஒரு சிறிய Semiconductor Chip.

நம் விரல் நுனியில் அடங்கிவிடும் அளவுக்கு சிறியதாக இருக்கும் அந்த Chip-ஐ உருவாக்குவதற்கு பின்னால் எவ்வளவு பெரிய அறிவியல் உலகம் இயங்குகிறது என்று நாம் எப்போதாவது சிந்தித்திருக்கிறோமா?

அதில் நம்மை ஆச்சரியப்படுத்தக்கூடிய ஒரு விஷயம் இருக்கிறது.

ஒரு Chip தயாரிக்க தண்ணீரும் தேவை!

ஆனால் அது நாம் குடிக்கும் சாதாரண தண்ணீர் அல்ல.

அது Ultra Pure Water – UPW.

குடிநீரைவிடவும் தூய்மையான தண்ணீர்!

நாம் “சுத்தமான தண்ணீர்” என்று கூறும்போது, அது குடிப்பதற்குப் பாதுகாப்பாக இருக்க வேண்டும் என்பதையே பொதுவாக நினைக்கிறோம்.

ஆனால் Semiconductor Manufacturing உலகில் “தூய்மை” என்பதற்கு முற்றிலும் வேறொரு அளவுகோல் உள்ளது.

Ultra Pure Water என்பது மிக உயர்ந்த அளவில் சுத்திகரிக்கப்பட்ட நீர். அதில் மிகக் குறைந்த அளவில்கூட தேவையற்ற துகள்கள், கனிமங்கள், உப்புகள், நுண்ணுயிரிகள் மற்றும் பிற contaminants இருக்கக் கூடாது.

ஏன் இவ்வளவு கவனம்?

ஒரு Semiconductor wafer மீது உருவாக்கப்படும் electronic structures மிகவும் நுண்ணியவை.

நம் கண்களுக்குத் தெரியாத அளவிலான ஒரு சிறிய துகள்கூட அந்த நுண்ணிய அமைப்பில் defect ஏற்படுத்தக்கூடும்.

அதாவது,

நாம் பார்க்க முடியாத அளவிலான ஒரு துகள் கூட, நம் கையில் இருக்கும் ஒரு Chip-ன் செயல்திறனைப் பாதிக்கக்கூடும்!

இதுதான் நவீன Semiconductor அறிவியலின் நுணுக்கம்.

ஒரு Chip-க்கு எவ்வளவு தண்ணீர் தேவை?

இங்கே ஒரு முக்கியமான விஷயத்தை முதலில் புரிந்துகொள்ள வேண்டும்.

“ஒரு Chip = இத்தனை லிட்டர் தண்ணீர்” என்று ஒரு நிரந்தர எண்ணைச் சொல்ல முடியாது.

Chip-ன் அளவு, அதன் design, manufacturing technology, wafer size, production yield, Fab-ன் water-recycling திறன் போன்ற பல காரணிகளைப் பொறுத்து தண்ணீர் பயன்பாடு மாறுபடும்.

பழைய life-cycle ஆய்வுகளில், ஒரு சிறிய DRAM chip-ன் fabrication stage-க்கு சுமார் 32 லிட்டர் தண்ணீர் தேவைப்படலாம் என்று மதிப்பிடப்பட்டிருக்கிறது.

அதேபோல், Intel நிறுவனம் தனது ஒரு காலகட்டத்திய state-of-the-art microprocessor-க்கு 10 gallons-க்கும் குறைவான தண்ணீர் பயன்படுத்தப்பட்டதாகத் தெரிவித்திருந்தது — அதாவது சுமார் 38 லிட்டருக்கும் குறைவு.

இவை இன்றைய ஒவ்வொரு advanced Chip-க்கும் பொருந்தும் நிரந்தர எண்ணாக எடுத்துக்கொள்ளக் கூடாது.

ஏனெனில் ஒரு Chip-ன் water footprint-ஐ கணக்கிடும்போது Chip fabrication மட்டும் அல்லாமல், wafer manufacturing, cleaning, cooling, clean-room systems மற்றும் சில நேரங்களில் மின்சார உற்பத்திக்கான மறைமுக நீர் பயன்பாடுகளையும் கணக்கில் எடுத்துக்கொள்ள வேண்டியிருக்கிறது.

Chip தயாரிப்பில் தண்ணீர் என்ன செய்கிறது?

ஒரு Semiconductor Chip-ஐ உருவாக்குவது ஒரே ஒரு செயல்முறை அல்ல.

Silicon wafer பல்வேறு fabrication stages-ஐ கடந்து செல்கிறது.

அவற்றில்:

Deposition → Lithography → Etching → Cleaning → Rinsing → மீண்டும் Cleaning...

என்று பல கட்டங்கள் இடம்பெறுகின்றன.

ஒவ்வொரு கட்டத்திலும் wafer-ன் மேற்பரப்பில் தேவையற்ற பொருட்கள் படியாமல் இருக்கவும், process-க்கு பிறகு wafer-ஐ சுத்தம் செய்யவும் மிக உயர்ந்த தூய்மையான நீர் தேவைப்படுகிறது.

அதனால்தான் ஒரு Semiconductor Fab-ல் Ultra Pure Water System என்பது ஒரு துணை வசதி அல்ல.

அது உற்பத்தி செயல்முறையின் ஒரு முக்கியமான அங்கம்.

ஆனால் இங்கே இன்னொரு ஆச்சரியம் இருக்கிறது!

ஒரு Fab-ல் பயன்படுத்தப்படும் தண்ணீர் முழுவதும் Chip-க்குள் போய்விடுவதில்லை.

தண்ணீர் பல்வேறு பணிகளுக்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது:

• Wafer cleaning
• Rinsing
• Cooling
• Clean-room HVAC
• Chillers
• Boilers
• பிற industrial processes

இதனால் ஒரு பெரிய Semiconductor Fab-க்கு தினமும் பல மில்லியன் gallons தண்ணீர் தேவைப்படலாம்.

உதாரணமாக, பெரிய 300-mm wafer fabs பற்றிய தொழில்துறை ஆய்வுகளில், ஒரு நாளைக்கு 2–3 million gallons அளவிலான water use காணப்படலாம் என்று குறிப்பிடப்பட்டுள்ளது.

இதிலிருந்து நாம் புரிந்துகொள்ள வேண்டியது:

ஒரு Chip சிறியது; ஆனால் அதை உருவாக்கும் ecosystem மிகப் பெரியது!

தண்ணீரை Ultra Pure Water-ஆக மாற்றுவது எப்படி?

நாம் குழாயில் கிடைக்கும் தண்ணீரை நேரடியாக Semiconductor manufacturing-ல் பயன்படுத்த முடியாது.

அது பல கட்ட சுத்திகரிப்பு செயல்முறைகளை கடக்க வேண்டும்.

பொதுவாக:

• Raw Water
  ↓
• Pre-treatment
  ↓
• Reverse Osmosis
  ↓
• Deionization
  ↓
• Polishing
  ↓
• Ultra Pure Water

என்ற பல நிலைகளில் சுத்திகரிக்கப்படுகிறது.

இந்த செயல்முறையில் நீரில் இருக்கும் dissolved salts, minerals, organic contaminants, microorganisms மற்றும் மிகச் சிறிய particles ஆகியவை கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன.

இறுதியில் கிடைப்பதுதான் Ultra Pure Water.

சுத்திகரிக்கும்போது தண்ணீர் “வீணாகிறதா?”

ஆம், ஒரு பகுதி நீர் process-ன் போது reject அல்லது concentrate stream ஆக வெளியேறலாம்.

ஆனால் இதை முழுமையாக “வீணாகும் தண்ணீர்” என்று மட்டும் கூறுவது சரியான பார்வை அல்ல.

ஏனெனில் நவீன Semiconductor fabs இந்த நீரை:

Collect → Treat → Recover → Purify → Reuse

என்ற முறையில் மீண்டும் பயன்படுத்துவதற்கான தொழில்நுட்பங்களில் தொடர்ந்து முதலீடு செய்து வருகின்றன.

வீணாகும் தண்ணீரை மீண்டும் பயன்படுத்த முடியுமா?

முடியும் — ஆனால் எல்லா தண்ணீரையும் ஒரே முறையில் மீண்டும் பயன்படுத்த முடியாது.

இதுதான் முக்கியமான அறிவியல்.

Fab-ல் பயன்படுத்தப்படும் தண்ணீர் அனைத்தும் ஒரே மாதிரியானதல்ல.

சில water streams மிகவும் குறைந்த contamination கொண்டவையாக இருக்கலாம்.

மற்ற சில streams-ல் chemicals அல்லது process contaminants இருக்கலாம்.

அதனால் அவை தனித்தனியாக சேகரிக்கப்பட்டு, அவற்றின் தன்மைக்கு ஏற்ப treatment செய்யப்படுகின்றன.

சில தண்ணீரை மீண்டும்:

• Cooling
• Utilities
• Industrial processes
• Purification systems

போன்றவற்றில் பயன்படுத்த முடியும்.

மேலும் advanced reclamation systems மூலம் ஒரு பகுதியை மீண்டும் உயர்ந்த தரத்துக்கு சுத்திகரிக்கவும் முடியும்.

ஆனால் “100% தண்ணீரையும் மீண்டும் பயன்படுத்திவிடலாம்” என்று கூற முடியாது.

Evaporation, treatment losses, concentrated waste streams மற்றும் பிற காரணங்களால் fresh water தொடர்ந்து தேவைப்படலாம்.

எனவே இலக்கு:

“தண்ணீர் பயன்பாட்டை முற்றிலும் நிறுத்துவது” அல்ல; “ஒரே தண்ணீரை அதிகபட்சமாக மீண்டும் மீண்டும் பயன்படுத்துவது.”

Chip தொழில்நுட்பத்தின் மற்றொரு பெரிய சவால் — கழிவுநீர்!

Semiconductor manufacturing-ல் தண்ணீர் மட்டும் பயன்படுத்தப்படுவதில்லை.

பல்வேறு fabrication processes-ல்:

• Acids
• Solvents
• Etching chemicals
• Cleaning chemicals
• Metals
• Fluorinated compounds
• பிற process chemicals

பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

இதனால் பயன்படுத்தப்பட்ட process water-ஐ சாதாரண கழிவுநீரைப் போல வெளியேற்ற முடியாது.

அதற்கென Specialized Wastewater Treatment Systems தேவைப்படுகின்றன.

இதுவும் Semiconductor Fab-ன் மிக முக்கியமான infrastructure-ல் ஒன்றாகும்.

தண்ணீர் மட்டும்தானா சுற்றுச்சூழல் சவால்?

இல்லை.

Semiconductor Industry என்பது:

Water + Energy + Chemicals + Materials

என்ற நான்கு முக்கிய வளங்களுடனும் தொடர்புடையது.

⚡ 1. மிகப்பெரிய மின்சாரத் தேவை

ஒரு Semiconductor Fab-ல் Clean Room, HVAC, Cooling, Lithography Equipment மற்றும் பல்வேறு manufacturing systems தொடர்ந்து இயங்க வேண்டும்.

இதனால் மின்சாரத் தேவை மிக அதிகமாக இருக்கும்.

அந்த மின்சாரம் fossil fuels மூலம் அதிகமாக உற்பத்தி செய்யப்பட்டால் greenhouse-gas emissions அதிகரிக்கலாம்.

🧪 2. Chemical பயன்பாடு

Chip manufacturing-ல் பயன்படுத்தப்படும் பல்வேறு chemicals காரணமாக wastewater treatment மிகவும் சிக்கலானதாகிறது.

எனவே:

Chemical Management + Wastewater Treatment

இரண்டும் சுற்றுச்சூழல் பாதுகாப்பில் முக்கியமானவை.

🌍 3. Carbon Footprint

Fab-ன் மின்சாரப் பயன்பாடு, manufacturing processes மற்றும் சில process gases ஆகியவை greenhouse-gas emissions-க்கு காரணமாக இருக்கக்கூடும்.

இதனால் Semiconductor industry-யில் renewable energy மற்றும் energy-efficient manufacturing ஆகியவை அதிக முக்கியத்துவம் பெற்று வருகின்றன.

♻️ 4. Industrial Waste

தண்ணீர் மட்டுமல்லாமல் filters, chemical containers, contaminated materials மற்றும் பிற industrial wastes-ம் உருவாகின்றன.

அவற்றையும் பாதுகாப்பாக நிர்வகிக்க வேண்டும்.

ஆனால் அறிவியல் பிரச்சினையை மட்டும் உருவாக்கவில்லை!

இதுதான் இந்தக் கதையின் மிக முக்கியமான பகுதி.

ஒருபுறம் Semiconductor technology அதிக தண்ணீர், மின்சாரம் மற்றும் வளங்களைப் பயன்படுத்துகிறது.

மறுபுறம் அதே அறிவியலும் பொறியியலும் அந்தச் சுமையைக் குறைப்பதற்கான தீர்வுகளையும் உருவாக்குகின்றன.

உதாரணமாக:

• Water Recycling
• Advanced Wastewater Treatment
• Water Recovery
• Energy Efficiency
• Renewable Energy
• Chemical Recovery
• Closed-loop Water Systems

போன்ற தொழில்நுட்பங்கள் தொடர்ந்து மேம்படுத்தப்பட்டு வருகின்றன.

அதாவது,

Science creates technology.

Science also helps us make that technology more sustainable.

ஒரு சிறிய Chip-ன் பின்னால் எத்தனை அறிவியல் துறைகள்?

ஒரு Smartphone-ல் இருக்கும் Chip-ஐ எடுத்துக்கொள்ளுங்கள்.

அது ஒரு electronic component என்று மட்டும் நினைத்துவிடலாம்.

ஆனால் அதன் பின்னால்:

🔬 Physics

🧪 Chemistry

⚙️ Mechanical Engineering

💻 Electrical Engineering

🧬 Materials Science

💧 Water Technology

🌱 Environmental Engineering

🤖 Automation

⚡ Energy Engineering

என பல்வேறு அறிவியல் மற்றும் பொறியியல் துறைகள் ஒன்றோடொன்று இணைந்து செயல்படுகின்றன.

இதுதான் Semiconductor Ecosystem.

ஒரு Chip-ஐப் பார்க்கும் பார்வையை மாற்றுவோம்!

அடுத்த முறை ஒரு மாணவர் Smartphone-ஐ கையில் எடுக்கும்போது,

“இதில் எத்தனை Transistors இருக்கின்றன?”

என்று மட்டும் கேட்காமல்,

“இந்த Chip எப்படி உருவாக்கப்பட்டது?”

என்று கேட்கட்டும்.

அதிலிருந்து அடுத்த கேள்வி:

“இதற்கு எவ்வளவு தண்ணீர் தேவைப்பட்டது?”

பிறகு:

“அந்தத் தண்ணீரில் எவ்வளவு மீண்டும் பயன்படுத்தப்பட்டது?”

அதன்பின்:

“கழிவுநீரில் இருக்கும் chemicals-ஐ எப்படி அகற்றுகிறார்கள்?”

மற்றொரு கேள்வி:

“இதை இன்னும் குறைந்த தண்ணீர், குறைந்த மின்சாரம் கொண்டு தயாரிக்க முடியுமா?”

இப்படிப்பட்ட கேள்விகள்தான் அறிவியல் சிந்தனையின் தொடக்கம்.

அறிவியல் என்பது பாடப்புத்தகத்தில் மட்டும் இல்லை!

ஒரு Chip-ஐ உருவாக்குவதற்குப் பின்னால் அணு அளவிலான அறிவியலும், மிகப்பெரிய தொழிற்சாலை infrastructure-மும் ஒன்றாக இயங்குகின்றன.

ஒரு துளி Ultra Pure Water-ல் இருந்து ஒரு Silicon wafer வரை...

ஒரு wafer-ல் இருந்து ஒரு Semiconductor Chip வரை...

ஒரு Chip-ல் இருந்து நம் Smartphone வரை...

அறிவியல் பல அடுக்குகளாக நம் வாழ்க்கைக்குள் பயணிக்கிறது.

அதனால் அறிவியலைப் புரிந்துகொள்வதற்கு எப்போதும் ஆய்வகத்திற்குச் செல்ல வேண்டியதில்லை.

நம் கையில் இருக்கும் ஒரு சிறிய Chip-ஐப் பார்த்தாலே போதும்.

அதன் பின்னால் இயங்கும் உலகத்தைப் பற்றி கேள்வி கேட்கத் தொடங்குங்கள்.

ஒரு சிறிய Chip...

ஒரு துளி Ultra Pure Water...

ஒரு பிரம்மாண்டமான அறிவியல் உலகம்!

அந்த உலகத்தைப் புரிந்துகொள்ளத் தொடங்கும் ஒவ்வொரு இளைஞரும், நாளைய விஞ்ஞானி, பொறியாளர், கண்டுபிடிப்பாளர் அல்லது தொழில்நுட்பத் தலைவராக மாறுவதற்கான முதல் அடியை எடுத்து வைக்கிறார்.

அறிவியலைப் பார்ப்பதற்கான பார்வை மாறட்டும்.

கேள்விகள் பிறக்கட்டும்.
கண்டுபிடிப்புகள் உருவாகட்டும்!