人生

地球の気温としては増加が続く中、製造業は持続可能性の課題に直面しています。 ほとんどの電気機器の中心に位置する半導体は、製造と動作に大量のエネルギーを必要とします。 同時に、利益率の低い業界ではコストが急速に上昇しています。 最近の分析の進歩により、企業はこれらの関連変数を把握し、製造プロセスへの影響を測定できるようになりました。 リソース クリーンシート分析は、従来のコスト クリーンシート分析と環境ライフサイクル アセスメントを組み合わせたもので、企業が重要な施設に関する意思決定を行い、収益に付加価値を与えるのに役立ちます。

この記事は、Stephan Fuchs、Stephan Mohr、Dileep Sathyanarayana、Peter Spiller、および Klaus Ziemann による共同作業であり、マッキンゼーのアドバンスト エレクトロニクス プラクティスからの見解を表しています。

材料調達から製造、輸送、使用、耐用年数終了のプロセスに至るまで、ほとんどのハードウェアはエネルギーに大きく依存しています。 たとえば、コンピューター チップの製造では、エネルギー消費が排出量の約 63 パーセントを占めています。1TSMC 企業の社会的責任報告書、TSMC、2018 年。そして世界の情報通信技術 (ICT) 業界は、毎年より多くの電力を消費しています。 2030 年までに、主にネットワーキングとデータセンターに関連するエネルギーが総エネルギー需要の 20 パーセントを占めると予測されています。2Udit Gupta et al.、「Chasingcarbon: The elisive Environmental Footprint of Computing」、arXiv、2020 年 10 月 28 日。

高い排出量を相殺するために、大手企業は二酸化炭素排出量を削減する方法を研究しています。 そして、多くは設計プロセスの最初から始めています。 これは、近年、製品のライフサイクルに沿った排出量が操業から生産へと移行しているという事実を反映しています。 その理由の 1 つは、電話からジェット エンジンに至るまで、多くの最新製品が電気で駆動されており、そのため以前の製品よりも運用効率がはるかに優れているためです。 さらに、最新製品の多くには、高い計算能力やディスプレイなど、製造に二酸化炭素を大量に消費する機能が組み込まれています。 最後に、最初から持続可能性を組み込むための魅力的なロジックがあります。 私たちの分析によると、研究開発は製品コストの 5% 以下を占めていますが、リソース フットプリントの最大 80% に影響を与えています。

高い排出量を相殺するために、大手企業は二酸化炭素排出量を削減する方法を研究しています。 そして、多くは設計プロセスの最初から始めています。

マッキンゼーのリソース クリーンシート ソリューション (RCS) は、製品またはサービスのコストと CO2 排出量を、そのバリュー ストリームとライフ サイクル全体に沿ってマッピングします。 このソリューションは、確立されたコスト エンジニアリングの概念に基づいています。コスト エンジニアリングとは、企業があらゆるプロジェクトや製品の生産コスト、仕様、機能、および長期にわたる総所有コストに透明性をもたらすために使用する方法論です。 コスト エンジニアリングとは、最低の総所有コストで仕様を設計および実装し、設計と調達、製造、組み立て、およびサービス中のサポートのコストのバランスを取ることです。 RCS の利点は、コスト エンジニアリングで使用されるのと同じ厳密なモデリングが CO2 排出量の計算に再利用されることです。 ボトムアップ分析を活用して、製品の製造と使用における上流と下流の両方の活動の排出係数を測定します。 これにより、企業は、サイクルタイム、パッケージング、電源に使用される機械の種類に至るまで、排出フットプリントをエンドツーエンドで把握し、それぞれのコストと並べて比較することができます。

RCS を効果的に適用すると、製品の持続可能性の測定と管理におけるギャップが埋められます。 具体的には、ライフサイクル会計ではカバーできないコストの側面に対処するため、トレードオフが必要なビジネス上の意思決定を行う際にさらに役立ちます。 さらに、追加のモデリングの負担は軽く、ますます差し迫った課題に対する洗練されたソリューションを提供できる可能性があることを示唆しています。

RCS モデルを活用すれば、企業は製品設計において詳細なシナリオ分析を行うことができます。 結果をプラントやコンポーネントの選択にフィードして、さまざまなシステムレベルのトレードオフがどのように影響するかを評価できます。 この分析は、新しい機器やコンポーネントの構築または購入による影響など、生産プロセスの変更に伴う財務コストと排出コストを測定するためにも使用できます。 調達チームはあらゆるオプションとサプライヤーの製品を分析できるため、他のサプライヤーが低炭素生産方法に切り替えるインセンティブが得られる可能性があります。

一例として、アルミニウム製品の製造に応用します。 ここで、RCS は、生産プロセスおよび半製品状態への変換から排出係数を導き出すことができます。 同じロジックが製品の製造と出荷にも適用できます。

RCS は汎用の方法論ですが、製品ライフ サイクルの特定の側面に個別に適用することもできます。 たとえば、Cradle-to-Gate 分析の場合、設計、一次リソース、初期段階のプロセスに直接関連するコストと排出係数を生成できます。

RCS 分析によって生成される排出データは、個々の生産者の活動に固有のものであり、さまざまなコストへの影響を達成するためのさまざまなシナリオをモデル化するために使用できます。 場所 X で生産され、場所 Y で精製されたアルミニウムは排出量 Z を生成しますが、別の場所では異なる排出量が発生し、異なるコスト要因が発生します。

このアプローチを通じて、企業は戦略的優先事項に合わせてコストと排出量のバランスを決定できます。

RCS の威力を実証するために、この方法論を 1 つのエレクトロニクス製品のコンポーネントに適用し、電気自動車用の車載充電器の 3 つの設計について、クレードルからゲートまでのライフサイクル コストと二酸化炭素排出量を計算しました。3Cree Wolfspeed リファレンス デザイン CRD -06600FF065N-K、6.6kW双方向EV車載充電器。

それぞれの設計では、SiC-MOSFET、4シリコンカーバイド金属酸化膜半導体電界効果トランジスタなど、異なるパワー半導体コンポーネントが使用されていました。 MOSFETは、ゲートに電圧を印加することで開度（抵抗）を制御できる電子バルブの一種です。 ゲートは薄い酸化物層によって残りのトランジスタ構造から絶縁されています。 MOSFET は、シリコンまたは炭化ケイ素半導体材料を使用して製造できます。 Si-IGBT、5シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。 IGBT は MOSFET とバイポーラ トランジスタを組み合わせたものです。 通常のバイポーラトランジスタとは異なり、トランジスタを制御する電極も絶縁されています。 半導体材料はシリコンです。 またはSi-MOSFET。6シリコン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。 シリコンカーボンで作られた SiC-MOSFET は、代替品よりもはるかに高い温度で動作でき、より高いスイッチング周波数をサポートし、より高い電流密度を提供します。 車載充電器などの電源アプリケーションでは、これらの利点により、ユニットの小型化と電力損失の低減が実現され、その結果、より高いレベルの効率が実現されます。 一方、SiC-MOSFET は、シリコン製の同等品や IGBT に比べて 2 ～ 5 倍高価です。

IGBT と Si-Superjunction トランジスタを使用して SiC-MOSFET 設計を変更し、パワー段トランジスタを置き換え、アルミニウム ヒートシンクのサイズを調整しました。 3 つの設計すべてで、変更されていない小型の SiC 設計の DC リンク コンデンサとインダクタを使用しました。 これにより、スイッチング周波数が低くなると SiC 設計よりも大きなコンポーネントが必要になるため、IGBT および Si-MOSFET のバリエーションのコストと排出量が過小評価されることになりました。最初に製造ライフサイクル コストを計算するために、追加の幾何学的情報を追加して強化された部品表を作成しました。そして、いくつかのカスタムメイドのインダクター、トランス、およびヒートシンクなどの機械部品のコストを計算しました。 プリント基板 (PCB) については、独自のコストモデルを使用しました。

半導体の二酸化炭素排出量の計算では、コンポーネントのパッケージを開けて測定したコンポーネントのダイ面積を基本パラメータとして使用しました。 これに地域固有の二酸化炭素排出量相当量を乗算しました。 受動コンポーネントについては、サードパーティのデータで検証された文献値を使用しました。 また、PCB については、PCB サイズと層スタックを考慮して、基本文献値を含むパラメトリック Excel モデルを活用しました。

分析の結果、Si-MOSFET ダイには 0.58 キログラム (kg) 二酸化炭素当量 (CO2e) が含まれているのに対し、より小さい IGBT ダイには 0.25 kg CO2e が含まれていることが明らかになりました。 SiC MOSFET ダイは 0.23 kg の CO2e を生成しました。 材料および組み立てプロセスを通じて、3 つのユニットの CO2 排出量がそれぞれ 67.8 kg CO2e、63.9 kg CO2e、および 61.8 kg CO2e であることがわかりました (図 1)。 材料とアセンブリのプリント基板アセンブリ (PCBA) の相対コストベースでは、SiC-MOSFET を 100% として設定すると、Si-IGBT ユニットは 90%、Si-MOSFET は 95.8% となりました。

SiC-MOSFET 設計の個々のコンポーネントを詳しく調べると、最大の排出源はコンデンサで、22.8 kg CO2e を占め、次にヒートシンクが 11.5 kg CO2e でした (図 2)。 相対的なコストに基づいて、集積回路とコンデンサが最も高価でした。

さまざまな情報をすべて総合すると、SiC バリアントの設計により、特に充電中の無駄なエネルギーのコストが低くなり、材料費の高騰を相殺できることがわかります。 負荷 6.6 キロワット (kW) での無駄な電力は 323.4 ワットでしたが、Si-IGBT 設計では 422.4 ワット、Si-MOSFET 設計では 455.4 ワットでした。

さまざまな期間や地域の充電コスト、無駄なエネルギーを考慮すると、SiC MOSFET 設計の一貫性はヨーロッパ、米国、中国を上回ります。 エネルギーコストが高いため、最も優れたパフォーマンスが得られるのはヨーロッパで、3,000 時間の充電後です。 6.6 kW で 1,000 時間充電した後の使用段階の排出量は、3 つの設計すべてでクレードルからゲートまでの排出量の 2 倍以上になります (図 3)。

RCS は、製品の価格と二酸化炭素排出量をモデル化するための統合されたボトムアップ アプローチを提供し、利害関係者が開発プロセス中に意思決定を行う際にトレードオフを評価できるようになります。 たとえば、RCS は、「炭素削減のためのライフサイクル コストはいくらですか?」などの質問に答えるのに役立ちます。 または、「より高性能のオプションの回収率はいくらですか? ライフサイクルにおける CO2 排出量はどれくらい節約できますか?」 他のユースケースの中でも、RCS は製品の開発および設計中のさまざまな意思決定ポイントを明確にすることができます。 また、排出量とそのコストについての洞察が得られるため、チームが調達したサブコンポーネントに適切なテクノロジーを選択しようとする場合にも役立ちます。

ここでの分析は、RCS がどのようにして持続可能性への影響とコストに関する独自の鳥瞰図を作成できるかを示しています。 この方法論が効果的に導入されれば、企業は規制上の義務と持続可能性を意識する次世代の消費者のニーズを確実に満たしながら、環境への取り組みを次のレベルに引き上げることが可能になります。 最も重要なことは、RCS の洞察は実用的で実現可能であるということです。 McKinsey Catalyst Zero 製品全体の一部として RCS を使用することで、企業はポートフォリオ全体にわたる大規模な変革に着手し、実用的な洞察を大規模に生成できます。7マッキンゼーの Catalyst Zero は、クライアントがビジネス エコシステム全体で炭素を見つけて除去するのに役立ちます。 RCS は、コストと排出量のベースライン設定から、経済的な炭素削減の評価、具体的な脱炭素目標の決定に至るまで、変革のあらゆる段階で使用できます。 これらの洞察は、方向性のある行動を促進し、意思決定者が価値を付加し、自社を同業他社と差別化するビジネス モデルを作成できるようにします。

ステファン・フックスマッキンゼーのミュンヘンオフィスの上級専門家およびアソシエイトパートナーです。ステファン・モールパートナーであり、クラウス・ジーマン上級専門家です。ピーター・スピラーフランクフルトオフィスのパートナーです。 そしてディリープ・サティヤナラーヤナはヒューストン オフィスのアソシエイト パートナーです。

著者らは、この記事への貢献に対して Tomasz Rola に感謝の意を表します。