✪ Ed Conway神秘顾客应用

英国天外新闻台剪辑

✪ 慧诺(编译) | 文化纵横新媒体

✪ 谈行藏 (审校) | 文化纵横新媒体

【导读】

在电影《沙丘》中，几大星球眷属争夺的访佛于沙子的“香料”决定了东谈主类异日的走向。在现实中，

一些浅近存在于自然界中的“非金属”原材料，因为潜在用途被视为计谋物资，其中就包括“无处不在”的沙子（硅）。

面前，中国的工业硅超过民众80%产量，单晶硅、多晶硅等多种品类的占比以致更高，不仅标记着刚劲的产业基础，更覆盖着潜在的计谋地位。

从东谈主类奈何渐渐将“不起眼的沙子”作念成数千万亿的民众产业链的历史中，咱们不错愈加深入地意会民众工业链的实质，并对寰宇的异日作念出更合理的判断。

作家指出，玻璃不仅是一类居品，而且亦然一种通用技能。近300年来，简直所有激动东谈主类常识的伟大实验都依赖某种玻璃棱镜、容器或安设。进入信息化时间，玻璃的价值只增不减：光纤、芯片制造中不可或缺，以致能影响国度工业计谋和军事程度。举例，德国政府指挥下的化学和玻璃产业（如蔡司）的快速崛起，匡助其在一战和二战早期取得了要紧计谋上风。

建筑行业对沙子的应用

也在发生最新变化：过度开采使得沙子对生态的要紧性不断体现出来，填海造陆行动不断增量

，防洪沙需求上升，传统的混凝土、水泥技能也在因绿色需求而发生变化。

临了，作家从Ferroglobe公司的Serrabal 石英矿登程，深度挖掘了半导体产业链的“原料上游”。在制造硅金属的历程中，更为关键的是原料的体式和大小，因此并非随地可见。仅原材料和开拓制造法子，就罕有百家公司像“不起眼的沙子”，手脚民众半导体供应链不可或缺的组成部分。 因此，当一些政客想自然地要“关起门来自给自主”时，往往流露了其对材料寰宇的深刻无知。

本文为文化纵横新媒体原创编译系列“关键产业与关键资源之变”之六，摘译自Ed Conway著《材料寰宇：塑造当代斯文的六大原材料》

（Material World: The Six Raw Materials That Shape Modern Civilization，Published in 2023 by Knopf）

材料寰宇：沙子的故事

▍智造东谈主（Homo Faber）

演义《智造东谈主》（Homo Faber）汇报了一场发生在2900万年前的陨石爆炸事件带来的深化影像。陪同主东谈主公班戈尔等东谈主，演义将咱们带入了茫茫大沙海进行探险，不仅发现了“利比亚沙漠玻璃”等特殊材料，还对沙丘的物理特质进行了科学有计划。

《智造东谈主》以新奇的视角向咱们展示，沙子不仅是自然界的产物，亦然东谈主类斯文和技能跳动的基石。手脚一种物资，沙子及渊博又私有，某些类型的沙子以致畸形稀薄。从古代的玻璃制造到当代的半导体工业，抑或是随地可见的混凝土建筑，对沙子的左右事关产业政策与经济发展，以致牵动着国度的计谋安全。

（本文编译自《材料寰宇：塑造当代斯文的六大原材料》一书）

（一）玻璃：“先进制造”的基础

历史学家对东谈主类发展的想考取，“玻璃”提供了一个要紧视角。

玻璃的发明和应用，特殊是透镜和镜子，对工业改进以及东谈主类对自然界融会的深化产生了深化影响。透镜的出现不仅促进了天文体的冲破，如伽利略发现地球绕太阳转，还改变了东谈主们的使命和生计样式，如通过眼镜延长使命生命。此外，玻璃器具对早期显微镜的制造至关要紧，开启了细胞学和微生物学的大门。文艺回报时期，玻璃的使用更是改变了艺术创作的视角，达·芬奇合计镜子是“画家背后的民众”。

从波伊尔和胡克创建真空室，到牛顿的光学表面，再到法拉第对电的有计划，简直所有激动东谈主类常识的伟大实验都以某种样式依赖于玻璃棱镜、容器或安设。换言之，玻璃是一种基础性创新，一种像轮子、蒸汽机和半导体这么的通用技能。这种神奇的居品之是以要紧，不单是因为它本人，还因为它带来的更多的遐想和发明。直到今天，玻璃仍饰演着要紧变装。互联网大多是通过玻璃纤维传输，芯片制造的通盘链条上也有着多量玻璃关联的开拓。

对于玻璃的发明者，众说纷纭。最驰名的发源故事来自罗马学者普林尼老者（Pliny the Elder）：腓尼基船员在今天的以色列海滩上，晚上烹调时将锅置于纳特龙（一种早期的含钠肥皂）上。当火烧热纳特龙时，与沙子反馈，遗址般地产生了流动的透明物资——这就是玻璃的最初发现。

自然普林尼的故事可能带有夸张因素，但玻璃的发明无疑是屡次在不同斯文中孤苦发现的，包括叙利亚、中国和埃及等。有的有计划将玻璃的最初创新回顾到近10000年前的陶器釉料技能，有的则合计其发展于公元前二至三千年间。不外，普林尼的故事强调了化学在玻璃制造中的要紧性。

制作玻璃的主要挑战在于，沙子的主要因素——硅石（二氧化硅）需要在超过1700°C的极高温度材干熔化。通过添加所谓的“助熔剂”，不错在更低的温度下使硅石熔化，同期去除玻璃中的杂质，改善最终居品性量。

好的玻璃看上去明晰完整，但在分子层面上更像是一个无序的原子搀和体，被科学家称为“非晶态固体”或“过冷液体”。践诺上，玻璃既是液体亦然固体，但在常温下它发扬为固体形态。历史上，东谈主们对玻璃的意会和制造技能阅历了长期的发展，直到十九世纪才发展出平板玻璃技能，二十世纪中叶才有了果然光滑的薄玻璃片。

最终居品可能充满高深，但一切都始于沙粒。东谈主们对穆拉诺工匠制作出的杰出玻璃的本事拍桌赞佩，但却很少说起威尼斯赶巧位于完整的原材料地点。当地工匠们在实践心仪志到，通过烤制和研磨石英卵石不错获取更皎白的沙子，其中最佳的石英卵石来自从瑞士阿尔卑斯山流向意大利北部的提契诺河床（Ticino），其中二氧化硅纯度可达98%。这也引出了一个问题：咱们今天从那处获取这些沙子？这些“完整的颗粒”都在那处？

（二）“最白皙”的沙子在那处？

洛克阿琳（Lochaline）并非苏格兰最偏远小镇，但从格拉斯哥登程需经过三至四小时车程，搭渡轮及穿越连绵山谷的远程驾驶。我将前去这里，寻找寰宇上最皎白的硅砂之一。

硅砂含95%以上硅，用途浅近，从过滤水到制造锻造模具，以致是当代火车制动系统的关键因素。但最关键的是，它是制造高明晰度玻璃的主要原料。寰宇上驰名的“银沙”（silver sands）散播于法国、比利时、荷兰、德国以及北好意思和巴西等地。尽管不稀缺，但也不是随地可见。长期以来，英国都未能找到这种原材料，直到一个世纪前发现了洛克阿琳。

洛克阿琳曾是热带海洋的河口，秀好意思的白色沙滩边生计着丰富的生物。但是，6000万年前的一次大范围火山爆发将这一切埋藏于熔岩之下。恰是在这层火山岩下，覆盖着由99%皎白硅组成的“银沙”，简直不含铁氧化物。这种沙子不稳当建造沙堡，却能制作出至极明晰的玻璃。与频频的采石场不同，洛克阿琳的沙子职能通过地下开采得到。

从名义上看，洛克阿琳手脚一个采矿点似乎很奇怪。它是如斯偏远，独一的运沙样式是通过水路，而且距离将原材料转动为可用居品的工场和工场数百英里；千里重的沙子比较其他矿产似乎并不值钱。但这里的沙子并不一样：它可用于坐褥光学玻璃，特殊是用于军事开拓如双筒千里镜和对准镜的镜片。这也引出了第一次寰宇大战中，玻璃在东谈主类历史中饰演的要紧变装。

（三）玻璃饥馑

1915年晚夏，友军与德军在西线堕入战壕战。同期，在奥斯曼土耳其的南部，英国和澳新军团勇猛限度达达尼尔海峡。伦敦的军需部好意思妙交代别称特工前去瑞士，任务是确保输送相称需要的军事技能——野战千里镜。

今天，任何东谈主都能频频订购低廉的双筒千里镜，但在20世纪大部分时辰里，这些器具代表了技能前沿与军事上风。上世纪初，跟着刀兵技能的跳动，正确的光学测距仪成为了十足必需品，尤其是在炮弹不错辐射数十英里远的情况下。

1914年一战爆发。在此之前，德国在民众精密光学器械（包括双筒千里镜和千里镜）的供应上兑现了把持。这不仅是经济问题，还关系到搏斗初期德国狙击手的雄壮上风。简直所有的步枪对准镜上都刻有蔡司（Zeiss）的品牌名，而里面的玻璃来自一个关联但孤苦的公司：肖特（Schott）。肖特还发明了咱们今天仍在使用的硼硅酸盐玻璃，用于制造烤箱器皿和运载新冠疫苗的小瓶。

到了1914年，英国对德国，或者说对蔡司的精密玻璃依赖已达60%，剩余30%来自法国，国内公司仅占10%。搏斗爆发后，番邦供应立即被堵截。英国科学界此前曾屡次发出警戒，英国在光学制造上严重过期，以至于不成得志当代搏斗中光学缓助开拓的需求。

随后，英国东谈主民被命令捐赠家中的单、双筒千里镜，但这远远不成得志前哨的需求。于是，1915年，英国军需部交代别称特工前去中立的瑞士，企图从德国获取双筒千里镜。调查炫耀，德国可能是独一能无数目供应光学器械的国度。令东谈主骇怪的是，德国竟本心提供32000对双筒千里镜以极度他光学器械，要求是交换橡胶。这一交往的原因是：英国极度盟友限度着寰宇上大部分橡胶坐褥，而德国急需橡胶用于其军事机械。

这个故事施展，材料缺少在搏斗中占据要紧地位，而大国在关键时刻也欣喜暂停搏斗的通例定程进行交往。在特殊情况下，举例搏斗或其他民众危急中，原材料的价钱和价值之间会存在显耀互异。

（四）玻璃与欧洲工业计谋的降生

在玻璃制造的早期历史中，英国牧师和政事家哈考特（William Vernon Harcourt）曾尝试了多种元素的组合以改善玻璃质料，包括尝试加入铀，创造出在紫外光下会发光的玻璃。法拉第（Michael Faraday）在硼硅酸盐玻璃的发明上也有所孝敬，这对自后的光学和电力时间产生了要紧影响。

跟着时辰的激动，英国的光学霸权渐渐转念到了德国，这一变化是由多种因素形成的，一方面，英国的窗户税和玻璃坐褥税使得好多家庭和玻璃制造商受到了职守，效能是一段时辰内唯有最豪阔的东谈主能购买重晶体玻璃并建造温室，最终导致玻璃制造业的落寞。

与此同期，在普鲁士政府为初创的玻璃行业提供财政守旧并保证订单，这是一种十九世纪的工业策略，何况居然是由诗东谈主歌德指挥的。此外，德国的化学和制药业也在作念访佛于玻璃业：企业引入愈加严格科技与圭臬，退换那些也曾的手工业。

在1915年的“饥馑”和那场好意思妙的玻璃-橡胶交易之后，英国军需部插足了多量资金和劳力到玻璃制造中。在几个月内，英国科学家逆向工程了好多德国的玻璃居品，并在搏斗扫尾时能够坐褥弥散的玻璃供应我方部队和一些盟友。

在二战期间，英国的光学工场再次濒临挑战。纳粹占领了法国枫丹白露的沙石采石场，这是英国光学玻璃的主要原料来源。但是，英国官员发现了洛克阿琳的石英沙矿，这成为了英国搏斗勇猛的一个关键组成部分，为光学工场提供了必要的原料。在今天西方苛刻所谓“关键矿物”宗旨的一百年前，洛克阿琳就照旧是一个要紧性的计谋要隘，而今天和那时一样，很少有东谈主知谈它的存在。

如今，洛克阿琳的石英沙矿仍然在运营，它不仅守旧了土产货经济，还为民众的技能和环保勇猛提供了要紧的资源。这里的沙子一部分被运往被运往挪威，用于制造碳化硅逆变器，助力电动车跑得更远，充电更快，耗电更少。自然，大部分沙子被送往皮尔金顿，在那里被熔化并浮在一层熔融锡上，成为薄而完整平坦的炫耀器面板。

（五）用“玻璃”纠合寰宇

1934年，好意思国化学家海德（James Franklin Hyde）在纽约州北部的科宁实验室，初度通过化学方法合成了简直完整的纯矽砂玻璃。这种石英玻璃的皎白度超过了自然界中“最纯的”利比亚沙漠玻璃。这一发明在尔后极大地促进了光学边界的变调，但在那时，科宁的有计划东谈主员最初并未意志到其潜在的雄壮价值。

直到上世纪60年代，在伦敦郊区的圭臬电信实验室（STL），查尔斯·高（Charles Kao）发现了光纤通讯的后劲。他通过使用海德发明的超纯熔融石英玻璃坐褥了光纤，其践诺上就是两层玻璃组成的长线，内层传输信息，外层保持后光反射在纤维内。他施展注解了光纤传输数公里都简直不亏本数据，并开启了光纤时间，极大地改变了远距离通讯样式。此前信息主要通过铜线传输，但传输智商和速率相称有限。

查尔斯·高在2009年获取诺贝尔物理学奖，并被英国女王封为爵士。光纤技能的发展，以及对玻璃特质的深入意会，对当代通讯产生了改进性影响。简直所有当代通讯都通过光纤进行，包括互联网、电话和电视等。尽管在日常生计中不易察觉，但光纤聚积纠合了民众，成为当代社会运作的基础设施。

很少有物资像咱们用来构建周围寰宇的沙子这么没世无闻。它们是当代生计的基础，但咱们对它们却如斯熟视无睹，不知谈它们有多要紧。

▍奈何把屋子建在沙子上？

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在基督教的比方中，“把屋子建在沙地上”标记着愚蠢。跟着技能的发展，在沙地上搞房地产也并非不可能，关键在于遴荐合适的沙子。诞妄的沙子，如高昂的沙漠沙或在雨季变得不平定的冲积沙，如实不稳当建造。如今，通过收受适当的基础或技能，沙地上上也能建造结识的结构。迪拜的哈利法塔和棕榈岛朱好意思拉就是典型案例。

不外，即使是最佳的压实技能也不成将沙漠沙子变成新的陆地。从它们完成的那一刻起，这些东谈主造岛屿就在与自然界的连续战斗中，与侵蚀它们并渐渐冲走沙子的潮汐系统作斗争。

填海造陆创造了另一种“沙上建筑”。荷兰自14世纪以来就有访佛行动，而这股风潮跟着当代化也启动席卷亚洲。自19世纪以来，东京向海洋新增了25000公顷地皮，中国也在彭胀其沿海城市。如今，国度领海的基于海岸线，使得填海造陆也就成为21世纪应酬的新前沿，影响渔业、资源开采及军事布局。此外，跟着时事变化和海平面上升，对防洪沙的需求正在加快，而马尔代夫和新加坡计算通过填海支吾这一挑战，并导致新加坡成为最大的沙子入口国。

（一）东谈主类“淘沙热”

尽管咱们风尚将沙子视为无穷的普通资源，但践诺上，并非所有沙子都交流。这就解释了为什么沙漠国度如迪拜会从比利时、荷兰以致英国入口沙子——因为某些特定类型的沙子对于工业和建筑更为要紧。相较之下，咱们对沙子的开采简直莫得什么挨次和监控，这使得评估东谈主类历史上挖掘和出动的沙子总量变得畸形贫窭。

有计划炫耀，东谈主类每年的开采量是自然侵蚀历程年出动量的24倍，这凸显了自1955年以来东谈主类成为地球上一股刚劲的地质力量。如斯大范围的开采行动不仅改变了地球名义，还在某种程度上，神秘顾客应用界说了一个全新的地质时间——东谈主类世。咱们在往日一个世纪中挖掘的物资总量高达6.7太吨，这一数字简直难以遐想。

沙子的来源变得日益要紧。因为沙子不仅是建筑材料，也在自然生态系统中饰演着关键变装，如守旧河岸植物孕育、形成自然樊篱以及手脚生物栖息地等。但是，在好多非发达国度，沙子的开采往往不受监管，之后被运往欧洲和加那利群岛，用于树立发达国度的建筑和旅游沙滩。

在亚洲和非洲的某些地区，对于建筑用沙的雄壮需求导致了对这些自然资源的过度开采。这少许在湄公河三角洲尤为昭着。河岸已不复存在，拔帜树帜的是沙子被挖走后形成的笔陡落水处，每年有大致两平方英里的地皮正在丧失。在印度，"沙子黑手党"已成为退步聚积的代表，波及从从河床和海滩挖掘沙子的东谈主，到将这些沙子运往建筑工地的供应链，再到房地产开发商、旁观，以致是传闻中的一些政事家。对此，长入国环境规划署以致将沙子列为一种计谋矿物，强调了其对于看守当代社会基础设施和经济发展的要紧性。

（二）混凝土：最被低估的原材料

淌若要改善发展中国度低收入家庭的生计，你会遴荐提供现款、养分补给品照旧一袋水泥？谜底大致出东谈主料想：是水泥。墨西哥的一个实例施展注解了这少许，该国提给水泥给清寒家庭铺设地板，效能寄生虫感染率着落了78%，儿童泻肚和贫血的情况也显耀减少，学校发扬和母亲的幸福感也有所进步。此外，将土壤谈路替换为混凝土路面，不错显耀进步近邻住户的工资，并加多儿童入学率。

咱们不时低估了建筑寰宇的要紧性。在所有建筑材料中，莫得哪种像水泥那样赶快地产生了雄壮影响。与砖石建筑比较，混凝土的使用大大简化了建筑历程。你只需将混凝土浇入模具中，正本需要数日或数周的使命当今只需几小时即可完成。

混凝土的奇妙之处还在于它的复杂性和不断变化的特质。即等于城市中那些单调的、看似无生命的混凝土建筑，其里面的化学反馈仍在进行，混凝土仍在链接硬化和反馈。即使是像胡佛大坝这么的巨型建筑，多年后也仍在渐渐变得愈加坚固。

需要领会的是，混凝土和水泥并不完全交流。水泥是混凝土的粘合剂，是一种将石灰石或白垩与粘土、沙子和其他添加剂（如氧化铁）煅烧和翻脸后得到的粉末。加水后，水泥中的钙和硅与水反馈，形成一种灰色的凝胶，其中充满了无数的微不雅石质触须。这些触须，或者说是硅酸钙水合物的晶体，相互交错和彭胀，锁住水分，形成了一种骨架般的石质结构。在搀和物中加入砾石和沙子，这些触须不仅自我衔尾，还会围绕石子和沙子，创造出混凝土——一种不错倾倒的岩石。

（三）混凝土的另一面

尽管东谈主类仅在一个多世纪前才启动大范围坐褥这种由沙子、骨料和水泥搀和而成的材料，但当今地球上东谈主均领有超过80吨的混凝土。这一数字远超地球上所有生物的总分量：每头牛、每棵树、每个东谈主以及所有植物、动物、细菌和单细胞生物。咱们每年坐褥的混凝土足以覆盖通盘英格兰的陆大地积。

以天津为例，这个领有1500万东谈主口的超等城市，从海岸线一直蔓延到北京近邻。2014年，天津被誉为“寰宇高楼之都”，同庚，中国的水泥坐褥速率呈现出指数级增长。比年来，天津的建筑上涨消退，也曾的经济增长亮点变成了疲软法子。中国政府在2020年限制新建摩天大楼的数目和高度，并在2021年启动破除好多未完成的大楼。

自然混凝土配方容易正确，但诞妄的情况也时有发生。2010年海地地震形成的多量龙套部分归因于劣质建筑。好意思国近十分之一的桥梁结构弱势，英国情况可能更糟，简直一半的高速公路或A级谈路桥梁存在弱势。“钢筋混凝土”不错守旧愈加果敢的建筑和桥梁的树立，但配方诞妄时会导致更多的灾难。举例，2021老迈阿密北部一座公寓楼垮塌，调查员指出罅隙的混凝土和腐蚀的钢筋是可能的罪魁首恶。

（四）时事变化下的混凝土产业变革

水泥坐褥是民众最大的碳排放源之一，占民众碳排放的7-8%，超过航空业和丛林砍伐的总数。水泥的坐褥分为两个主要法子：化学反馈和高温加热。面前，通过使用替代燃料加热窑炉和添加其他物资来减少水泥熟料，已在发达经济体如英国和好意思国兑现了超过50%的碳排放减少。但是，化学反馈法子的碳排放难以肃清，面前的处理有计算包括稀释熟料和碳拿获及封存技能，但这些方法本钱昂贵，尚未浅近应用。

在一些国度，碳排放问题进一步加重了制造水泥所需材料的缺少。尽管石灰石总量丰富，但好多国度启动不肯签署新的采矿/采石许可证。莫得了石灰石，就莫得了水泥的中枢粘合剂。在 2021年，瑞典濒临着混凝土短暂缺少的问题，因为最高地皮和环境法院决定远离给该国最大的水泥坐褥商 Cementa 在 Gotland 岛颁发一个新的石灰石采矿许可证。

此外，混凝土坐褥也至极依赖于供应充足、连续的水源来进行化学反馈。咱们对混凝土的雄壮需求是如斯之大，以至于仅混凝土的使用就占据了寰宇工业用水的大致十分之一。与之相对应的是，面前寰宇上大部分崭新的混凝土都是在干旱和水资源不及的国度浇筑的。

尽管存在替代水泥的技能，如碱激流水泥，但其长期历久性仍存在疑问。尽管濒临挑战，但照旧有新技能和材料被开发出来以减少水泥的环境影响，比如基于麻的混凝土和添加了石墨烯的“Concretene”，这些新式混凝土承诺更强更环保。还有自愈合混凝土和自清洁混凝土等创新址品正在有计划中。

一个令东谈主沸腾的发展场合是开发能够给与二氧化碳的负碳混凝土。举例，Solidia公司开发的水泥，能够在每1000kg水泥中给与多达240kg的二氧化碳。但是，这种水泥需要在富含CO2的环境中固化，这对于大部分建筑现场是一个挑战。

自然存在好多挑战，但民众正处于一个新的竞赛中，旨在重新发明无碳排放的混凝土。有但愿的是，超过50%的新式混凝土专利由中国公司和学术机构肯求，预示着异日的冲破可能来自中国。但是，即使处理了碳排放问题，混凝土的坐褥仍然需要破费多量的水、石灰石和沙子，这些都是有限的资源，其开采和使用还将对生态系统连续组成挟制。

▍沙子的“史诗”旅程

在自然界和材料寰宇中，存在着好多令东谈主咋舌的旅程，而硅的故事大致是最精彩的之一。

硅的旅程始于地下岩石，经过亿万年的地质领路和侵蚀，最终成为沙粒。这些沙粒在水流和风的作用下不断旋转、压实，再被冰川磨损，形成一个完整的轮回历程。大致一半的石英沙粒阅历了六次这么的轮回，从岩石到沙子再到岩石。

但硅并不会留步于此。它被开采出来，经过多谈工序加工成晶体管，最终被装入芯片。这一历程波及民繁多个地区，包括遐想、加工、拼装等法子。1947年的第一个半导体安设有小孩的手那么大，其中的晶体管约有一厘米；今天的晶体管已达到纳米级别，以致小于可见光波长。每个晶体管都代表着二进制代码的一个“开关”，使手机、电脑、汽车、家电等各种开拓能进行各式打算和操作。

以智高手机为例，简直所有的物理组件都不再由品牌公司制造的；苹果等公司只是其他东谈主制造的技能的一个至极出色的重新包装者。即使是印有苹果商标的芯片，践诺上是也由台积电代工。这家公司则得到了荷兰的ASML的光刻机，而该机器的中枢部件又由其他公司制造，一些咱们照旧肃穆（透镜来自蔡司，玻璃来自肖特），另一些则不是那么肃穆（激光器来自德国公司特鲁姆夫）。

上述法子只涵盖了硅原子进入智高手机前的临了几步。若要刨根问底，咱们必须从硅初度被索取的那一刻启动。这个来源显然不是一尘不染的工场，而是处在尘土、烟雾和火焰当中。

（一）西班牙：硅基芯片的源流

在距离西班牙圣地亚哥-德孔波斯特拉（Santiago de Compostela）大致15英里的加利西亚丛林深处，一条尘土飞扬的石头小谈引颈咱们走向硅基芯片坐褥的来源。这里是每年眩惑超过25万名寰宇各地朝圣者的驰名地点，以其邑邑苍苍的绿色山丘、点缀其间的中叶纪修谈院和秀好意思的石头墟落而闻明。萨克罗峰（Pico Sacro）以其私有的金字塔形态高耸于裕如田地之上，成为了当地繁多别传的源泉。

据地质学解释，约3.5亿年前，两大超大陆的碰撞推高了这片地皮，形成了石英岩体的自然雕刻。在萨克罗峰的山眼下还覆盖着一个雄壮的奥秘——Serrabal石英矿，这里的石英因其皎白而闻明寰宇。这些石英不仅用于遮盖性花坛和高尔夫球场，更要紧的是，它们是先进硅基芯片的原材料。

领有这座矿山的公司是Ferroglobe，一家西班牙企业，是中国之外寰宇最大的硅金属坐褥商。如今，民众硅材料绝大多数在中国开采和高超，但Ferroglobe还在好意思国、加拿大和南非领有石英矿，是少数例外之一。尽管Serrabal矿区的石英纯度并非最高，但在制造硅金属的历程中，更为关键的是石英的体式和大小，需要的是拳头大小的石英块而非微弱的沙粒。

这些石英块被运往北部科鲁尼亚港外的Sabón工场，那里的巨型炉子在高达1800°C的温度下将石英与焦炭和木屑搀和加热。通过复杂的化学反馈和强电场作用，熔化的硅金属从搀和物均离别出来。通盘历程能耗雄壮，对环境的影响遏止忽视：每个炉子需要的电力（约45兆瓦）足以供应一个小镇，而这一历程不可幸免地会产生二氧化碳排放。

尽治理造历程中产生的碳排放往往被忽视，但从石英到硅金属的转动仍然是技能改进不可或缺的一部分。在Sabón工场，从炉子中倒出并凝固的硅金属被打碎成颗粒状，这时的硅纯度约为98至99%。自然这一纯度对大多数应用照旧弥散，但对于硅基芯片或太阳能面板等高技术居品而言，这还只是一个来源。

（二）多晶硅：比“最纯”还要“更纯”

接下来的旅程，咱们的计算地是一个大多数东谈主未始听闻的公司，这里将Ferroglobe的冶金级硅转动为更高纯度的多晶硅。这家名为瓦克（Wacker）的德国公司是中国之外最大的多晶硅坐褥商。它的主要工场位于慕尼黑东南约一个半小时的地方，围聚奥地利边境的布尔格豪森。

这个小镇以领有寰宇最长的城堡而骄贵，历史上，布尔格豪森是奥地利和德国之间陈腐盐路的主要枢纽之一，盐交易虽已澌灭，但它依然是德国较富裕的城镇之一，当今成为化工产业的中心。

布尔格豪森的化工场范围雄壮，占大地积简直与小镇本人相称。这里不仅有发电站、真金不怕火油厂，还有无数烟囱、化工仓库和棚户区。工场还有一个足球俱乐部，参加巴伐利亚联赛。多晶硅的坐褥历程称为“西门子法”，它波及将纯硅金属粉末与纯氢氯化物搀和、蒸馏并在1150°C的环境下加热。最终得到的是访佛老式水壶加热元件的长杆，只不外这里的材料是超纯硅。

这一历程是动力密集型的。环境科学家斯米尔（Vaclav Smil）称，坐褥如斯高纯度的硅所需能量是水泥的3000倍，是将铁转动为钢的1000倍。尽管数目可能较小，但这是一个要求严格、本钱昂贵且频频玷辱环境的历程。最终居品是极高纯度的硅——简直是地球上最皎白的物资之一，称为多晶硅。阐发蒸馏的透彻程度，不错获取不同纯度等第的多晶硅，用“九”的数目来定名。

多晶硅的绝大多数用于太阳能电板板，大部分在中国制造。值得提神的是，中国尚未掌合手硅片制造的“最高意境”——半导体级多晶硅的技能。这种多晶硅的纯度不错达到十个九（99.99999999%），即每10亿个硅原子中就有一个杂质原子。

经过从岩石中爆破索取、在高温炉中熔化、翻脸、融化、高温蒸馏和认识，咱们的硅还没准备好成为硅基芯片。面前，旅程才刚刚过半。

（三）“寰宇上最纯的材料”

在硅的纯化历程中，往往需要追求极致的纯度。在半导体制造边界，尤其是与硅材料相关时，硅基体中的一个外来原子就足以显耀拦阻晶体管内电子的流动。这种对细节的明锐性与像水泥这么的材料形成昭彰对比，后者对于幽微偏离其期许组成发扬出一定的容忍度。

此外，硅自身的原子结构也极为要紧。一个无瑕的原子结构允许电子平滑且摆脱地出动，进步了半导体的功能性。相背，所谓的“晶界”形成的不完整之处，不错中断电子流，导致潜在的失败。这种互异不错视为盒子里整皆成列的鸡蛋与横三顺四的成列样式的区别。

接下来，让咱们把硅带到了地球另一端，链接“提纯之旅”。在好意思国俄勒冈州波特兰近邻信越公司（Shin-Etsu）的工场，由哥伦比亚河提供的水电驱动，该材料将阅历了Czochralski历程（或简称CZ）等一系列转动：将多晶硅熔化在石英坩埚中，并小心性拉出一个晶体，这个晶体形成了硅片的基础。这个历程访佛于在棒子上拉棉花糖，尽管在一个充满氩气的高度限度环境中进行，效能是一个结构完整的硅锭。这个锭接着被切割成薄片，经过进一步加工成为用于半导体制造的平坦、无瑕的硅片。

历史上，硅片的坐褥既是一门艺术亦然一门科学，技能东谈主员手动限度晶体的孕育。跟着时辰的推移，像日本信越这么的公司在自动化、高度限度的制造历程中当先行业。自然民众硅产量的形态主要由中国主导，但在半导体级硅片的制造边界，信越等公司依然保持着技能当先地位。这些历程的秘密程度至极高，这是由波及的高价值常识产权和它提供的竞争上风所驱动的。

在上述制造历程中的一个关键组成部分是用于熔化硅的高纯度石英坩埚，其坐褥材料来自好意思国北卡罗来纳州的斯普鲁斯派恩（Spruce Pine）小镇。长期以来，民众对这种高纯度石英的供应简直完全依赖于此地的一个名为西贝尔科（Sibelco）的比利时公司。西贝尔科以极高的秘密性著称，对其矿场和加工设施的访谒限度极为严格。

如今，斯普鲁斯派恩有两个矿场。除了西贝尔科外，还有另一个较小的运营商：Quartz Corp，它将开采的石头运往挪威加工。它们被清洗、翻脸、磨碎、通过磁力离别并在化学品中冲洗，最终成为一种特殊类型的沙子，弥散皎白以容纳那被拉升成硅晶圆的熔融硅。

斯普鲁斯派恩的石英通过复杂的加工历程转动为能够容纳熔融硅的高纯度石英沙，这是制造硅晶圆不可或缺的原料。尽管民众罕有家公司试图寻找替代来源，但迄今为止，莫得任何石英能够匹敌这里的石英纯度。这种对一个地舆位置的极点依赖激励了对供应链可能中断的担忧。举例，淌若斯普鲁斯派恩的矿场因自然灾害而停产，或者通过特定妙技龙套这些矿场的加工智商，不错在短时辰内住手民众半导体和太阳能板的坐褥。

（四）探问台积电：从硅片到芯片

一块发源于加利西亚山脉的硅片j，阅历了从固态到液态，再到蒸汽，最终再次固化的退换，将在台南郊外启动它的新篇章。这里虽远离城市喧嚣，却是当代工业的腹黑地带。台积电在此的寰宇级工场Fab 18，标记着民众起初进的制造智商。

台积电是一个通谈，将苹果和特斯拉等科技巨头，以及如英伟达和高通这么的“无工场”芯片商的愿景转动为有形的处理器。该公司曾在三年内投资1350亿好意思元，相称于十艘好意思国福特级航空母舰的本钱。以位于台湾农业腹地的Fab 18工场标杆神情为例，其包括六个相互纠合的建筑组成的复杂体，展望支拨170亿好意思元，超过了英祥瑞海峡纯正的本钱。

复杂的光滑外不雅掩盖了其里面的关键操作：广袤的空间不是用于东谈主类行动，而是用于爱戴地球上最干净环境之一的先进过滤和空调系统。在无尘车间的下方是“迷宫”一样的子车间，其中关键的化学搀和物不断地在设施中脉动。该工业遗址的基础是一个先进的阻尼系统，将结构与该地区特有的地震行动隔断开来，确保高深的制造历程保持不受打扰。制造厂的中枢由一系列机器主导，每台机器都在硅片上实施精准的任务。这里的自动化程度极高，东谈主类的存在被最小化以防卫玷辱。

在这里还有民众起初进的极紫外（EUV）光刻机，能够在纳米级别上完成形容遐想。光刻机开拓的反射行动需要借助特殊制造的镜子，这些布拉格反射器则由蔡司坐褥。

（五）半导体的民众旅程也属于其他制造业

即使是行业里面的东谈主士，也很少有东谈主意会上述旅程的长度和复杂性。媒体频频报谈苹果、富士康、台积以致ASML，但这只是冰山一角。

还有其他数百家公司，他们就像不起眼的沙子，共同组成了紊乱的半导体供应链：举例林顿晶体（Linton Crystal），它制造了CZ历程所需的炉子和切割硅锭的金刚石锯；日本JSR是光刻胶技能的寰宇指挥者之一；还有奥地利的EV Group和IMS Nanofabrication，它们在晶圆键合和掩模坐褥方面占据主导地位。还有为各式工场提供关键机器的其他公司，它们听起来像是一串高深的名字和缩写：Veeco、东京电子、Lam Research、ASM Pacific、应用材料和Edwards……只是去掉其中的一两家公司，大致也就不会再有打算机或智高手机了。

面前，一些国度正高调地褒贬“制造业回流”以致是“自力重生”，这在半导体边界大致难以行得通。台积电的Fab 18可能是寰宇上起初进的芯片制造地，但芯片遐想主要发生在好意思国，何况依赖总部位于英国剑桥的ARM的常识产权。莫得来自荷兰和日本的机械器具，莫得来自德国的化学品以及来自一系列其他国度的零件和碎屑，台积电不异无法运作。当政客们想自然地要“关起门来我方搞”时，这频频流露了他们对材料寰宇的深刻无知。

咱们身边的建筑、家中的电器，以及田地上太阳能板，它们在与咱们崇拜碰头前都阅历了半导体访佛的旅程。这也领导咱们，在外洋经济关系无比复杂的21世纪神秘顾客应用，咱们大致支吾各式原材料和产业链保有更多敬畏。