✪ Ed Conway成都神秘顾客专家

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雷同于沙子的“香料”决定了东谈主类改日的走向。在现实中，

一些凡俗存在于自然界中的“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）。

现时，中国的工业硅杰出寰球80%产量，单晶硅、多晶硅等多种品类的占比甚而更高，不仅美丽着坚忍的产业基础，更躲闪着潜在的计谋地位。

从东谈主类若何缓缓将“不起眼的沙子”作念成数千万亿的寰球产业链的历史中，咱们不错愈加深入地阐明寰球工业链的实质，并对天下的改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艺。近300年来，果真悉数鼓动东谈主类常识的伟大实验都依赖某种玻璃棱镜、容器或安装。进入信息化时期，玻璃的价值只增不减：光纤、芯片制造中不可或缺，甚而能影响国度工业计谋和军事进度。举例，德国政府指引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重要计谋上风。

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进攻性不断体现出来，填海造陆行径不断增量

，防洪沙需求上升，传统的混凝土、水泥技艺也在因绿色需求而发生变化。

终末，作家从Ferroglobe公司的Serrabal 石英矿启程，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局势和大小，因此并非遍地可见。仅原材料和开拓制造门径，就稀有百家公司像“不起眼的沙子”，算作寰球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，频频披露了其对材料天下的深刻无知。

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《材料天下：塑造当代娴雅的六大原材料》

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

材料天下：沙子的故事

▍智造东谈主（Homo Faber）

演义《智造东谈主》（Homo Faber）敷陈了一场发生在2900万年前的陨石爆炸事件带来的深入影像。随从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，还对沙丘的物理特色进行了科学筹办。

《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，亦然东谈主类娴雅和技艺跨越的基石。算作一种物资，沙子及普遍又特有，某些类型的沙子甚而特殊罕有。从古代的玻璃制造到当代的半导体工业，抑或是遍地可见的混凝土建筑，对沙子的阁下事关产业政策与经济发展，甚而牵动着国度的计谋安全。

此次调查由江西省消保委委托第三方公司以随机邀约的方式，在该省11个设市区进行。调查人员累计访谈了1219名近一年内在4S店、品牌连锁店或街边维修店进行过汽车维修保养的消费者，并对全省80家不同类型门店进行了神秘顾客暗访。

（本文编译自《材料天下：塑造当代娴雅的六大原材料》一书）

（一）玻璃：“先进制造”的基础

历史学家对东谈主类发展的念念考取，“玻璃”提供了一个进攻视角。

玻璃的发明和应用，特地是透镜和镜子，对工业创新以及东谈主类对自然界默契的深化产生了深入影响。透镜的出现不仅促进了天文体的冲突，如伽利略发现地球绕太阳转，还变调了东谈主们的责任和糊口姿首，如通过眼镜延长责任人命。此外，玻璃器具对早期显微镜的制造至关进攻，开启了细胞学和微生物学的大门。文艺回话时期，玻璃的使用更是变调了艺术创作的视角，达·芬奇觉得镜子是“画家背后的大家”。

从波伊尔和胡克创建真空室，到牛顿的光学表面，再到法拉第对电的筹办，果真悉数鼓动东谈主类常识的伟大实验都以某种姿首依赖于玻璃棱镜、容器或安装。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艺。这种神奇的居品之是以进攻，不单是因为它自身，还因为它带来的更多的想象和发明。直到今天，玻璃仍演出着进攻变装。互联网大多是通过玻璃纤维传输，芯片制造的悉数这个词链条上也有着大宗玻璃筹办的开拓。

对于玻璃的发明者，众说纷繁。最著名的发祥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。

固然普林尼的故事可能带有夸张要素，但玻璃的发明无疑是屡次在不同娴雅中孤立发现的，包括叙利亚、中国和埃及等。有的筹办将玻璃的最初创新记忆到近10000年前的陶器釉料技艺，有的则觉得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进攻性。

制作玻璃的主要挑战在于，沙子的主要要素——硅石（二氧化硅）需要在杰出1700°C的极高温度才能熔化。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混杂体，被科学家称为“非晶态固体”或“过冷液体”。履行上，玻璃既是液体亦然固体，但在常温下它施展为固体形态。历史上，东谈主们对玻璃的阐明和制造技艺资历了恒久的发展，直到十九世纪才发展出平板玻璃技艺，二十世纪中叶才有了实在光滑的薄玻璃片。

最终居品可能充满神秘，但一切都始于沙粒。东谈主们对穆拉诺工匠制作出的超卓玻璃的本事有目共赏，但却很少说起威尼斯正巧位于完整的原材料地点。当地工匠们在实践满意志到，通过烤制和研磨石英卵石不错得到更纯净的沙子，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：咱们今天从那儿得到这些沙子？这些“完整的颗粒”都在那儿？

（二）“最纯洁”的沙子在那儿？

洛克阿琳（Lochaline）并非苏格兰最偏远小镇，但从格拉斯哥启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。我将赶赴这里，寻找天下上最纯净的硅砂之一。

硅砂含95%以上硅，用途凡俗，从过滤水到制造锻造模具，甚而是当代火车制动系统的关键要素。但最关键的是，它是制造高明晰度玻璃的主要原料。天下上著名的“银沙”（silver sands）散布于法国、比利时、荷兰、德国以及北好意思和巴西等地。尽管不稀缺，但也不是遍地可见。恒久以来，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，绚烂的白色沙滩边糊口着丰富的生物。然则，6000万年前的一次大边界火山爆发将这一切埋藏于熔岩之下。恰是在这层火山岩下，躲闪着由99%纯净硅组成的“银沙”，果真不含铁氧化物。这种沙子不适合建造沙堡，却能制作出特地明晰的玻璃。与正常的采石场不同，洛克阿琳的沙子职能通过地下开采得到。

从名义上看，洛克阿琳算作一个采矿点似乎很奇怪。它是如斯偏远，惟一的运沙姿首是通过水路，而且距离将原材料转化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，特地是用于军事开拓如双筒千里镜和对准镜的镜片。这也引出了第一次天下大战中，玻璃在东谈主类历史中演出的进攻变装。

（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，英国和澳新军团发奋适度达达尼尔海峡。伦敦的军需部高明顶住又名特工赶赴瑞士，任务是确保运输特地需要的军事技艺——野战千里镜。

今天，任何东谈主都能草率订购低廉的双筒千里镜，但在20世纪大部分时候里，这些用具代表了技艺前沿与军事上风。上世纪初，跟着兵器技艺的跨越，正确的光学测距仪成为了统统必需品，尤其是在炮弹不错放射数十英里远的情况下。

1914年一战爆发。在此之前，德国在寰球精密光学器械（包括双筒千里镜和千里镜）的供应上已矣了把持。这不仅是经济问题，还关系到干戈初期德国狙击手的广大上风。果真悉数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筹办但孤立的公司：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%。干戈爆发后，异邦供应立即被割断。英国科学界此前曾屡次发出警告，英国在光学制造上严重过期，以至于不可满足当代干戈中光学扶助开拓的需求。

随后，英国东谈主民被命令捐赠家中的单、双筒千里镜，但这远远不可满足前列的需求。于是，1915年，英国军需部顶住又名特工赶赴中立的瑞士，企图从德国获取双筒千里镜。侦察骄矜，德国可能是惟一能大都量供应光学器械的国度。令东谈主惊诧的是，德国竟情愿提供32000对双筒千里镜以尽头他光学器械，要求是交换橡胶。这一交游的原因是：英国尽头盟友适度着天下上大部分橡胶坐褥，而德国急需橡胶用于其军事机械。

这个故事证据，材料枯竭在干戈中占据进攻地位，而大国在关键时刻也欢欣暂停干戈的常公法程进行交游。在特殊情况下，举例干戈或其他寰球危急中，原材料的价钱和价值之间会存在显赫各别。

（四）玻璃与欧洲工业计谋的出生

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地，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顺，这对自后的光学和电力时期产生了进攻影响。

跟着时候的鼓动，英国的光学霸权缓缓迁移到了德国，这一变化是由多种因素酿成的，一方面，英国的窗户税和玻璃坐褥税使得很多家庭和玻璃制造商受到了包袱，效果是一段时候内唯有最富余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雕残。

与此同期，在普鲁士政府为初创的玻璃行业提供财政撑持并保证订单，这是一种十九世纪的工业策略，况且尽然是由诗东谈主歌德携带的。此外，德国的化学和制药业也在作念雷同于玻璃业：企业引入愈加严格科技与模范，调遣那些也曾的手工业。

在1915年的“饥馑”和那场高明的玻璃-橡胶交易之后，英国军需部参预了大宗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很多德国的玻璃居品，并在干戈收尾时能够坐褥富足的玻璃供应我方队列和一些盟友。

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。然则，英国官员发现了洛克阿琳的石英沙矿，这成为了英国干戈发奋的一个关键组成部分，为光学工场提供了必要的原料。在今天西方建议所谓“关键矿物”办法的一百年前，洛克阿琳就也曾是一个进攻性的计谋要隘，而今天和其时一样，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，它不仅撑持了土产货经济，还为寰球的技艺和环保发奋提供了进攻的资源。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骄矜器面板。

（五）用“玻璃”流畅天下

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，初度通过化学次序合成了果真完整的纯矽砂玻璃。这种石英玻璃的纯净度杰出了自然界中“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改进，但在其时，科宁的筹办东谈主员最初并未意志到其潜在的广大价值。

直到上世纪60年代，在伦敦郊区的模范电信实验室（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，其内容上就是两层玻璃组成的长线，内层传输信息，外层保持晴朗反射在纤维内。他讲解了光纤传输数公里都果真不耗损数据，并开启了光纤时期，极大地变调了远距离通讯姿首。此前信息主要通过铜线传输，但传输才智和速率相等有限。

查尔斯·高在2009年得到诺贝尔物理学奖，并被英国女王封为爵士。光纤技艺的发展，以及对玻璃特色的深入阐明，对当代通讯产生了创新性影响。果真悉数当代通讯都通过光纤进行，包括互联网、电话和电视等。尽管在日常糊口中不易察觉，但光纤收罗流畅了寰球，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天下的沙子这么不为人知。它们是当代糊口的基础，但咱们对它们却如斯熟视无睹，不知谈它们有多进攻。

▍若何把屋子建在沙子上？

在基督教的比方中，“把屋子建在沙地上”美丽着愚蠢。跟着技艺的发展，在沙地上搞房地产也并非不可能，关键在于秉承合适的沙子。过错的沙子，如动听的沙漠沙或在雨季变得不巩固的冲积沙，如实不适合建造。如今，通过采选适合的基础或技艺，沙地上上也能建造雄厚的结构。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艺也不可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络续战斗中，与侵蚀它们并安宁冲走沙子的潮汐系统作战斗。

填海造陆创造了另一种“沙上建筑”。荷兰自14世纪以来就有雷同步履，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，中国也在蔓延其沿海城市。如今，国度领海的基于海岸线，使得填海造陆也就成为21世纪酬酢的新前沿，影响渔业、资源开采及军事布局。此外，跟着征象变化和海平面上升，对防洪沙的需求正在加快，而马尔代夫和新加坡规划通过填海搪塞这一挑战，并导致新加坡成为最大的沙子入口国。

（一）东谈主类“淘沙热”

尽管咱们习尚将沙子视为无穷的普通资源，但履行上，并非悉数沙子都相通。这就解释了为什么沙漠国度如迪拜会从比利时、荷兰甚而英国入口沙子——因为某些特定类型的沙子对于工业和建筑更为进攻。相较之下，咱们对沙子的开采果真莫得什么表率和监控，这使得评估东谈主类历史上挖掘和出动的沙子总量变得特殊困难。

筹办骄矜，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坚忍的地质力量。如斯大边界的开采行径不仅变调了地球名义，还在某种程度上，界说了一个全新的地质时期——东谈主类世。咱们在已往一个世纪中挖掘的物资总量高达6.7太吨，这一数字果真难以想象。

沙子的来源变得日益进攻。因为沙子不仅是建筑材料，也在自然生态系统中演出着关键变装，如撑持河岸植物滋长、形成自然樊篱以及算作生物栖息地等。然则，在很多非发达国度，沙子的开采频频不受监管，之后被运往欧洲和加那利群岛，用于成立发达国度的建筑和旅游沙滩。

在亚洲和非洲的某些地区，对于建筑用沙的广大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彰着。河岸已不复存在，神秘顾客介绍洗心革面的是沙子被挖走后形成的陡峻落水处，每年有大要两平方英里的地皮正在丧失。在印度，"沙子黑手党"已成为腐烂收罗的代表，触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、警员，甚而是传闻中的一些政事家。对此，长入国环境遐想署甚而将沙子列为一种计谋矿物，强调了其对于保管当代社会基础设施和经济发展的进攻性。

（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糊口，你会秉承提供现款、养分补给品如故一袋水泥？谜底粗心出东谈主猜测：是水泥。墨西哥的一个实例讲解了这少许，该国提给水泥给贫困家庭铺设地板，效果寄生虫感染率着落了78%，儿童泻肚和贫血的情况也显赫减少，学校施展和母亲的幸福感也有所提升。此外，将土壤谈路替换为混凝土路面，不错显赫提升隔邻住户的工资，并加多儿童入学率。

咱们频频低估了建筑天下的进攻性。在悉数建筑材料中，莫得哪种像水泥那样速即地产生了广大影响。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，原来需要数日或数周的责任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色。即等于城市中那些单调的、看似无人命的混凝土建筑，其里面的化学反馈仍在进行，混凝土仍在陆续硬化和反馈。即使是像胡佛大坝这么的巨型建筑，多年后也仍在缓缓变得愈加坚固。

需要澄清的是，混凝土和水泥并不完全相通。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）煅烧和闹翻后得到的粉末。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，互相交错和蔓延，锁住水分，形成了一种骨架般的石质结构。在混杂物中加入砾石和沙子，这些触须不仅自我联结，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边界坐褥这种由沙子、骨料和水泥混杂而成的材料，但当今地球上东谈主均领有杰出80吨的混凝土。这一数字远超地球上悉数生物的总分量：每头牛、每棵树、每个东谈主以及悉数植物、动物、细菌和单细胞生物。咱们每年坐褥的混凝土足以覆盖悉数这个词英格兰的陆大地积。

以天津为例，这个领有1500万东谈主口的超等城市，从海岸线一直延长到北京隔邻。2014年，天津被誉为“天下高楼之都”，同庚，中国的水泥坐褥速率呈现出指数级增长。连年来，天津的建筑高潮消退，也曾的经济增长亮点变成了疲软门径。中国政府在2020年驱散新建摩天大楼的数目和高度，并在2021年启动撤消很多未完成的大楼。

固然混凝土配方容易正确，但过错的情况也时有发生。2010年海地地震酿成的大宗破裂部分归因于劣质建筑。好意思国近十分之一的桥梁结构残障，英国情况可能更糟，果真一半的高速公路或A级谈路桥梁存在残障。“钢筋混凝土”不错撑持愈加踊跃的建筑和桥梁的成立，但配方过错时会导致更多的晦气。举例，2021老大阿密北部一座公寓楼垮塌，侦察员指出舛讹的混凝土和腐蚀的钢筋是可能的罪魁首恶。

（四）征象变化下的混凝土产业变革

水泥坐褥是寰球最大的碳排放源之一，占寰球碳排放的7-8%，杰出航空业和丛林砍伐的总数。水泥的坐褥分为两个主要门径：化学反馈和高温加热。咫尺，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已矣了杰出50%的碳排放减少。然则，化学反馈门径的碳排放难以断根，咫尺的处理决议包括稀释熟料和碳拿获及封存技艺，但这些次序资本腾贵，尚未凡俗应用。

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枯竭。尽管石灰石总量丰富，但很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枯竭的问题，因为最高地皮和环境法院决定拆开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，混凝土坐褥也特地依赖于供应充足、络续的水源来进行化学反馈。咱们对混凝土的广大需求是如斯之大，以至于仅混凝土的使用就占据了天下工业用水的大要十分之一。与之相对应的是，咫尺天下上大部分清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艺，如碱激流水泥，但其恒久经久性仍存在疑问。尽管濒临挑战，但如故有新技艺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筹办中。

一个令东谈主欣喜的发展目的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。然则，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。

固然存在很多挑战，但寰球正处于一个新的竞赛中，旨在再行发明无碳排放的混凝土。有但愿的是，杰出50%的新式混凝土专利由中国公司和学术机构肯求，预示着改日的冲突可能来自中国。然则，即使处理了碳排放问题，混凝土的坐褥仍然需要糜掷大宗的水、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络续组成约束。

▍沙子的“史诗”旅程

在自然界和材料天下中，存在着很多令东谈主咋舌的旅程，而硅的故事粗心是最精彩的之一。

硅的旅程始于地下岩石，经过亿万年的地质畅通和侵蚀，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。大要一半的石英沙粒资历了六次这么的轮回，从岩石到沙子再到岩石。

但硅并不会停步于此。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。这一历程触及寰球多个地区，包括遐想、加工、拼装等门径。1947年的第一个半导体安装有小孩的手那么大，其中的晶体管约有一厘米；今天的晶体管已达到纳米级别，甚而小于可见光波长。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、家电等各样开拓能进行多样遐想和操作。

以智妙手机为例，果真悉数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艺的一个特地出色的再行包装者。即使是印有苹果商标的芯片，履行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，一些咱们也曾纯熟（透镜来自蔡司，玻璃来自肖特），另一些则不是那么纯熟（激光器来自德国公司特鲁姆夫）。

上述门径只涵盖了硅原子进入智妙手机前的终末几步。若要刨根问底，咱们必须从硅初度被提真金不怕火的那一刻启动。这个来源昭彰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：硅基芯片的泉源

在距离西班牙圣地亚哥-德孔波斯特拉（Santiago de Compostela）大要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。这里是每年诱骗杰出25万名天下各地朝圣者的著名地点，以其邑邑芊芊的绿色山丘、点缀其间的中叶纪修谈院和绚烂的石头墟落而闻明。萨克罗峰（Pico Sacro）以其特有的金字塔形态高耸于艰深田地之上，成为了当地浩繁传闻的源泉。

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躲闪着一个广大的奥秘——Serrabal石英矿，这里的石英因其纯净而闻明天下。这些石英不仅用于遮盖性花圃和高尔夫球场，更进攻的是，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，是中国除外天下最大的硅金属坐褥商。如今，寰球硅材料绝大多数在中国开采和精深，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局势和大小，需要的是拳头大小的石英块而非狭窄的沙粒。

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混杂加热。通过复杂的化学反馈和强电场作用，熔化的硅金属从混杂物平离别出来。悉数这个词历程能耗广大，对环境的影响箝制冷漠：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。

尽守护造历程中产生的碳排放频频被冷漠，但从石英到硅金属的转化仍然是技艺创新不可或缺的一部分。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%。固然这一纯度对大多数应用也曾富足，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，咱们的目的地是一个大多数东谈主未尝听闻的公司，这里将Ferroglobe的冶金级硅转化为更高纯度的多晶硅。这家名为瓦克（Wacker）的德国公司是中国除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场所，聚拢奥地利边境的布尔格豪森。

这个小镇以领有天下最长的城堡而夸口，历史上，布尔格豪森是奥地利和德国之间陈腐盐路的主要关键之一，盐交易虽已脱色，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边界广大，占大地积果真与小镇自身相等。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”，它触及将纯硅金属粉末与纯氢氯化物混杂、蒸馏并在1150°C的环境下加热。最终得到的是雷同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，是将铁转化为钢的1000倍。尽管数目可能较小，但这是一个要求严格、资本腾贵且频频浑浊环境的历程。最终居品是极高纯度的硅——果真是地球上最纯净的物资之一，称为多晶硅。凭据蒸馏的透顶程度，不错得到不同纯度品级的多晶硅，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。值得选藏的是，中国尚未掌抓硅片制造的“最高田地”——半导体级多晶硅的技艺。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。

经过从岩石中爆破提真金不怕火、在高温炉中熔化、闹翻、融化、高温蒸馏和分解，咱们的硅还没准备好成为硅基芯片。现时，旅程才刚刚过半。

（三）“天下上最纯的材料”

在硅的纯化历程中，频频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赫贫困晶体管内电子的流动。这种对细节的敏锐性与像水泥这么的材料形成显豁对比，后者对于隐微偏离其联想组成施展出一定的容忍度。

此外，硅自身的原子结构也极为进攻。一个无瑕的原子结构允许电子平滑且目田地出动，提升了半导体的功能性。相背，所谓的“晶界”酿成的不完整之处，不错中断电子流，导致潜在的失败。这种各别不错视为盒子里整都罗列的鸡蛋与杯盘狼藉的罗列姿首的区别。

接下来，让咱们把硅带到了地球另一端，陆续“提纯之旅”。在好意思国俄勒冈州波特兰隔邻信越公司（Shin-Etsu）的工场，由哥伦比亚河提供的水电驱动，该材料将资历了Czochralski历程（或简称CZ）等一系列转化：将多晶硅熔化在石英坩埚中，并留神肠拉出一个晶体，这个晶体形成了硅片的基础。这个历程雷同于在棒子上拉棉花糖，尽管在一个充满氩气的高度适度环境中进行，效果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，技艺东谈主员手动适度晶体的滋长。跟着时候的推移，像日本信越这么的公司在自动化、高度适度的制造历程中最初行业。固然寰球硅产量的时势主要由中国主导，但在半导体级硅片的制造边界，信越等公司依然保持着技艺最初地位。这些历程的守秘程度特地高，这是由触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。恒久以来，寰球对这种高纯度石英的供应果真完全依赖于此地的一个名为西贝尔科（Sibelco）的比利时公司。西贝尔科以极高的守秘性著称，对其矿场和加工设施的看望适度极为严格。

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、闹翻、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，富足纯净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化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。尽管寰球稀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顶点依赖激发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，或者通过特定技能破裂这些矿场的加工才智，不错在短时候内罢手寰球半导体和太阳能板的坐褥。

（四）探听台积电：从硅片到芯片

一块发祥于加利西亚山脉的硅片j，资历了从固态到液态，再到蒸汽，最终再次固化的调遣，将在台南郊外启动它的新篇章。这里虽隔离城市喧嚣，却是当代工业的腹黑地带。台积电在此的天下级工场Fab 18，美丽着寰球首先进的制造才智。

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”芯片商的愿景转化为有形的处理器。该公司曾在三年内投资1350亿好意思元，相等于十艘好意思国福特级航空母舰的资本。以位于台湾农业腹地的Fab 18工场标杆神态为例，其包括六个互相流畅的建筑组成的复杂体，瞻望开销170亿好意思元，杰出了英吉祥海峡合法的资本。

复杂的光滑外不雅灭亡了其里面的关键操作：无边的空间不是用于东谈主类行径，而是用于崇尚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，其中关键的化学混杂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径侵扰开来，确保隐秘的制造历程保持不受扰乱。制造厂的中枢由一系列机器主导，每台机器都在硅片上扩充精准的任务。这里的自动化程度极高，东谈主类的存在被最小化以驻防浑浊。

在这里还有寰球首先进的极紫外（EUV）光刻机，能够在纳米级别上完成描画遐想。光刻机开拓的反射行径需要借助特地制造的镜子，这些布拉格反射器则由蔡司坐褥。

（五）半导体的寰球旅程也属于其他制造业

即使是行业里面的东谈主士，也很少有东谈主阐明上述旅程的长度和复杂性。媒体频频报谈苹果、富士康、台积甚而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，共同组成了混乱的半导体供应链：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是光刻胶技艺的天下携带者之一；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。还有为多样工场提供关键机器的其他公司，它们听起来像是一串神秘的名字和缩写：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，粗心也就不会再有遐想机或智妙手机了。

现时，一些国度正高调地驳斥“制造业回流”甚而是“自力壮盛”，这在半导体边界粗心难以行得通。台积电的Fab 18可能是天下上首先进的芯片制造地，但芯片遐想主要发生在好意思国，况且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用具，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，台积电一样无法运作。当政客们想自然地要“关起门来我方搞”时，这正常披露了他们对材料天下的深刻无知。

咱们身边的建筑、家中的电器，以及田地上太阳能板成都神秘顾客专家，它们在与咱们认真碰头前都资历了半导体雷同的旅程。这也提示咱们，在外洋经济关系无比复杂的21世纪，咱们粗心搪塞多样原材料和产业链保有更多敬畏。