✪ Ed Conway青岛第三方调查公司

英国天外新闻台裁剪

✪ 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，几大星球家眷争夺的肖似于沙子的“香料”决定了东说念主类异日的走向。在现实中，

一些鄙俚存在于自然界中的“非金属”原材料，因为潜在用途被视为政策物资，其中就包括“无处不在”的沙子（硅）。

2天前，东方网·纵相新闻报道了上海米其林三星餐厅“Ultraviolet by Paul Pairet”（以下简称“UV”）被曝第三次使用过期近半年的酱油被行政处罚一事。今天，该餐厅依旧“稳坐”三星“宝座”。

然鹅，今天的这则新闻却告诉我们：米其林榜单可能就是个笑话？

现时，中国的工业硅超越各人80%产量，单晶硅、多晶硅等多种品类的占比以致更高，不仅秀雅着刚劲的产业基础，更荫藏着潜在的政策地位。

从东说念主类若何逐步将“不起眼的沙子”作念成数千万亿的各人产业链的历史中，咱们不错愈加深入地知晓各人工业链的实质，并对宇宙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，而且亦然一种通用时间。近300年来，险些总计激动东说念主类常识的伟大实验都依赖某种玻璃棱镜、容器或安装。进入信息化期间，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政策和军事程度。举例，德国政府指令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政策上风。

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接续体现出来，填海造陆行为接续增量

，防洪沙需求上升，传统的混凝土、水泥时间也在因绿色需求而发生变化。

临了，作家从Ferroglobe公司的Serrabal 石英矿启航，深度挖掘了半导体产业链的“原料上游”。在制造硅金属的经过中，更为环节的是原料的体式和大小，因此并非遍地可见。仅原材料和开荒制造次序，就特别百家公司像“不起眼的沙子”，四肢各人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，时时披露了其对材料宇宙的深刻无知。

本文为文化纵横新媒体原创编译系列“环节产业与环节资源之变”之六，摘译自Ed Conway著《材料宇宙：塑造当代闲雅的六大原材料》

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

材料宇宙：沙子的故事

▍智造东说念主（Homo Faber）

演义《智造东说念主》（Homo Faber）讲明了一场发生在2900万年前的陨石爆炸事件带来的长远影像。伴随主东说念主公班戈尔等东说念主，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接头。

《智造东说念主》以新奇的视角向咱们展示，沙子不仅是自然界的产物，亦然东说念主类闲雅和时间高出的基石。四肢一种物资，沙子及宽绰又特有，某些类型的沙子以致异常荒芜。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，对沙子的行使事关产业政策与经济发展，以致牵动着国度的政策安全。

（本文编译自《材料宇宙：塑造当代闲雅的六大原材料》一书）

（一）玻璃：“先进制造”的基础

历史学家对东说念主类发展的念念登第，“玻璃”提供了一个要紧视角。

玻璃的发明和应用，特别是透镜和镜子，对工业改进以及东说念主类对自然界默契的深化产生了长远影响。透镜的出现不仅促进了天体裁的冲破，如伽利略发现地球绕太阳转，还篡改了东说念主们的使命和生涯面貌，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。文艺回适时期，玻璃的使用更是篡改了艺术创作的视角，达·芬奇以为镜子是“画家背后的众人”。

从波伊尔和胡克创建真空室，到牛顿的光学表面，再到法拉第对电的接头，险些总计激动东说念主类常识的伟大实验都以某种面貌依赖于玻璃棱镜、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时间。这种神奇的居品之是以要紧，不单是因为它自己，还因为它带来的更多的想象和发明。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，芯片制造的总计这个词链条上也有着巨额玻璃相干的开荒。

对于玻璃的发明者，众说纷纭。最闻明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，与沙子反映，古迹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闲雅中孤苦发现的，包括叙利亚、中国和埃及等。有的接头将玻璃的最初创新追想到近10000年前的陶器釉料时间，有的则以为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）需要在超越1700°C的极高温度智力熔化。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。

好的玻璃看上去表现齐备，但在分子层面上更像是一个无序的原子夹杂体，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，但在常温下它施展为固体形态。历史上，东说念主们对玻璃的知晓和制造时间履历了永久的发展，直到十九世纪才发展出平板玻璃时间，二十世纪中叶才有了真确光滑的薄玻璃片。

最终居品可能充满渊博，但一切都始于沙粒。东说念主们对穆拉诺工匠制作出的超卓玻璃的身手拍案叫绝，但却很少说起威尼斯适值位于齐备的原材料地点。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获取更结拜的沙子，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：咱们今天从那儿获取这些沙子？这些“齐备的颗粒”都在那儿？

（二）“最白净”的沙子在那儿？

洛克阿琳（Lochaline）并非苏格兰最偏远小镇，但从格拉斯哥启航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，寻找宇宙上最结拜的硅砂之一。

硅砂含95%以上硅，用途鄙俚，从过滤水到制造锻造模具，以致是当代火车制动系统的环节因素。但最环节的是，它是制造高表现度玻璃的主要原料。宇宙上闻明的“银沙”（silver sands）分散于法国、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。永久以来，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，娟秀的白色沙滩边生涯着丰富的生物。然则，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，荫藏着由99%结拜硅组成的“银沙”，险些不含铁氧化物。这种沙子不妥贴建造沙堡，却能制作出极度表现的玻璃。与平时的采石场不同，洛克阿琳的沙子职能通过地下开采得到。

从名义上看，洛克阿琳四肢一个采矿点似乎很奇怪。它是如斯偏远，唯独的运沙面貌是通过水路，而且距离将原材料调遣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：它可用于分娩光学玻璃，特别是用于军事开荒如双筒千里镜和对准镜的镜片。这也引出了第一次宇宙大战中，玻璃在东说念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，英国和澳新军团尽力约束达达尼尔海峡。伦敦的军需部秘要交代又名特工前去瑞士，任务是确保输送十分需要的军事时间——野战千里镜。

今天，任何东说念主都能迁延订购低廉的双筒千里镜，但在20世纪大部分时候里，这些器具代表了时间前沿与军事上风。上世纪初，跟着刀兵时间的高出，正确的光学测距仪成为了统统必需品，尤其是在炮弹不错辐照数十英里远的情况下。

1914年一战爆发。在此之前，德国在各人精密光学器械（包括双筒千里镜和千里镜）的供应上终显着把持。这不仅是经济问题，还关系到搏斗初期德国狙击手的广大上风。险些总计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相干但孤苦的公司：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输送新冠疫苗的小瓶。

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，番邦供应立即被割断。英国科学界此前曾屡次发出警戒，英国在光学制造上严重落伍，以至于不成孤高当代搏斗中光学扶植开荒的需求。

随后，英国东说念主民被命令捐赠家中的单、双筒千里镜，但这远远不成孤高前列的需求。于是，1915年，英国军需部交代又名特工前去中立的瑞士，企图从德国获取双筒千里镜。窥伺夸耀，德国可能是唯独能宽绰量供应光学器械的国度。令东说念主诧异的是，德国竟应许提供32000对双筒千里镜以过火他光学器械，条目是交换橡胶。这一交往的原因是：英国过火盟友约束着宇宙上大部分橡胶分娩，而德国急需橡胶用于其军事机械。

这个故事阐明，材料短少在搏斗中占据要紧地位，而大国在环节时刻也简洁暂停搏斗的成例规定进行交往。在特殊情况下，举例搏斗或其他各人危境中，原材料的价钱和价值之间会存在显耀互异。

（四）玻璃与欧洲工业政策的出身

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期间产生了要紧影响。

跟着时候的激动，英国的光学霸权逐步转化到了德国，这一变化是由多种因素变成的，一方面，英国的窗户税和玻璃分娩税使得好多家庭和玻璃制造商受到了背负，效力是一段时候内只消最敷裕的东说念主能购买重晶体玻璃并建造温室，最终导致玻璃制造业的衰退。

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，而且居然是由诗东说念主歌德指挥的。此外，德国的化学和制药业也在作念肖似于玻璃业：企业引入愈加严格科技与标准，调遣那些也曾的手工业。

在1915年的“饥馑”和那场秘要的玻璃-橡胶生意之后，英国军需部进入了巨额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，并在搏斗完结时能够分娩填塞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开端。然则，英国官员发现了洛克阿琳的石英沙矿，这成为了英国搏斗尽力的一个环节组成部分，为光学工场提供了必要的原料。在今天西方刻薄所谓“环节矿物”办法的一百年前，洛克阿琳就已经是一个要紧性的政策要塞，而今天和那时一样，很少有东说念主知说念它的存在。

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，还为各人的时间和环保尽力提供了要紧的资源。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，成为薄而齐备平坦的夸耀器面板。

（五）用“玻璃”聚合宇宙

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，初次通过化学方法合成了险些齐备的纯矽砂玻璃。这种石英玻璃的结拜度超越了自然界中“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检阅，但在那时，科宁的接头东说念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，在伦敦郊区的标准电信实验室（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分娩了光纤，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。他评释了光纤传输数公里都险些不亏空数据，并开启了光纤期间，极大地篡改了远距离通讯面貌。此前信息主要通过铜线传输，但传输才略和速率相等有限。

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。光纤时间的发展，以及对玻璃特质的深入知晓，对当代通讯产生了改进性影响。险些总计当代通讯都通过光纤进行，包括互联网、电话和电视等。尽管在日常生涯中不易察觉，但光纤麇汇注合了各人，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宇宙的沙子这么充耳不闻。它们是当代生涯的基础，但咱们对它们却如斯熟视无睹，不知说念它们有多要紧。

▍若何把屋子建在沙子上？

在基督教的譬如中，“把屋子建在沙地上”秀雅着愚蠢。跟着时间的发展，在沙地上搞房地产也并非不可能，环节在于聘用合适的沙子。特殊的沙子，如美妙的沙漠沙或在雨季变得不清静的冲积沙，如实不妥贴建造。如今，通过给与适当的基础或时间，沙地上上也能建造踏实的结构。迪拜的哈利法塔和棕榈岛朱好意思拉就是典型案例。

不外，即使是最佳的压及时间也不成将沙漠沙子变成新的陆地。从它们完成的那一刻起，这些东说念主造岛屿就在与自然界的持续战斗中，与侵蚀它们并缓缓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世纪以来就有肖似步履，而这股风潮跟着当代化也开动席卷亚洲。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世纪社交的新前沿，影响渔业、资源开采及军事布局。此外，跟着情状变化和海平面上升，对防洪沙的需求正在加快，而马尔代夫和新加坡谋略通过填海卤莽这一挑战，并导致新加坡成为最大的沙子入口国。

（一）东说念主类“淘沙热”

尽管咱们风气将沙子视为无穷的普通资源，但践诺上，并非总计沙子都换取。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，咱们对沙子的开采险些莫得什么标准和监控，这使得评估东说念主类历史上挖掘和转移的沙子总量变得异常资料。

接头夸耀，东说念主类每年的开采量是自然侵蚀经过年转移量的24倍，这凸显了自1955年以来东说念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为不仅篡改了地球名义，还在某种程度上，界说了一个全新的地质期间——东说念主类世。咱们在畴昔一个世纪中挖掘的物资总量高达6.7太吨，这一数字险些难以想象。

沙子的开端变得日益要紧。因为沙子不仅是建筑材料，也在自然生态系统中饰演着环节变装，如守旧河岸植物孕育、形成自然樊篱以及四肢生物栖息地等。然则，在好多非发达国度，沙子的开采时时不受监管，之后被运往欧洲和加那利群岛，用于成就发达国度的建筑和旅游沙滩。

在亚洲和非洲的某些地区，神秘顾客网站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，拔帜易帜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"已成为陈旧集会的代表，触及从从河床和海滩挖掘沙子的东说念主，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，以致是传闻中的一些政事家。对此，合并国环境蓄意署以致将沙子列为一种政策矿物，强调了其对于保管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

若是要改善发展中国度低收入家庭的生涯，你会聘用提供现款、养分补给品照旧一袋水泥？谜底好像出东说念主预感：是水泥。墨西哥的一个实例评释了这少许，该国提给水泥给清寒家庭铺设地板，效力寄生虫感染率下落了78%，儿童泻肚和贫血的情况也显耀减少，学校施展和母亲的幸福感也有所进步。此外，将土壤说念路替换为混凝土路面，不错显耀进步近邻住户的工资，并增多儿童入学率。

咱们时时低估了建筑宇宙的要紧性。在总计建筑材料中，莫得哪种像水泥那样马上地产生了广大影响。与砖石建筑比较，混凝土的使用大大简化了建筑经过。你只需将混凝土浇入模具中，原来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接续变化的特质。即即是城市中那些单调的、看似无生命的混凝土建筑，其里面的化学反映仍在进行，混凝土仍在连接硬化和反映。即使是像胡佛大坝这么的巨型建筑，多年后也仍在逐步变得愈加坚固。

需要表现的是，混凝土和水泥并不完全换取。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）煅烧和离散后得到的粉末。加水后，水泥中的钙和硅与水反映，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，相互交错和蔓延，锁住水分，形成了一种骨架般的石质结构。在夹杂物中加入砾石和沙子，这些触须不仅自我劝诱，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

尽管东说念主类仅在一个多世纪前才开动大范围分娩这种由沙子、骨料和水泥夹杂而成的材料，但当今地球上东说念主均领有超越80吨的混凝土。这一数字远超地球上总计生物的总分量：每头牛、每棵树、每个东说念主以及总计植物、动物、细菌和单细胞生物。咱们每年分娩的混凝土足以覆盖总计这个词英格兰的陆大地积。

以天津为例，这个领有1500万东说念主口的超等城市，从海岸线一直延迟到北京近邻。2014年，天津被誉为“宇宙高楼之都”，同庚，中国的水泥分娩速率呈现出指数级增长。连年来，天津的建筑上升消退，也曾的经济增长亮点变成了疲软次序。中国政府在2020年限定新建摩天大楼的数目和高度，并在2021年开动根除好多未完成的大楼。

自然混凝土配方容易正确，但特殊的情况也时有发生。2010年海地地震变成的巨额破损部分归因于劣质建筑。好意思国近十分之一的桥梁结构颓势，英国情况可能更糟，险些一半的高速公路或A级说念路桥梁存在颓势。“钢筋混凝土”不错守旧愈加果敢的建筑和桥梁的成就，但配方特殊时会导致更多的不自在。举例，2021老迈阿密北部一座公寓楼崩塌，窥伺员指出粗放的混凝土和腐蚀的钢筋是可能的罪魁罪魁。

（四）情状变化下的混凝土产业变革

水泥分娩是各人最大的碳排放源之一，占各人碳排放的7-8%，超越航空业和丛林砍伐的总数。水泥的分娩分为两个主要次序：化学反映和高温加热。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终显着超越50%的碳排放减少。然则，化学反映次序的碳排放难以褪色，面前的处置决议包括稀释熟料和碳拿获及封存时间，但这些方法本钱上流，尚未鄙俚应用。

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短少。尽管石灰石总量丰富，但好多国度开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，瑞典濒临着混凝土俄顷短少的问题，因为最高地皮和环境法院决定拒绝给该国最大的水泥分娩商 Cementa 在 Gotland 岛颁发一个新的石灰石采矿许可证。

此外，混凝土分娩也极度依赖于供应充足、持续的水源来进行化学反映。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宇宙工业用水的大要十分之一。与之相对应的是，面前宇宙上大部分簇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时间，如碱激流水泥，但其永久历久性仍存在疑问。尽管濒临挑战，但照旧有新时间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接头中。

一个令东说念主繁荣的发展标的是开发能够接纳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水泥中接纳多达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。

自然存在好多挑战，但各人正处于一个新的竞赛中，旨在从头发明无碳排放的混凝土。有但愿的是，超越50%的新式混凝土专利由中国公司和学术机构恳求，预示着异日的冲破可能来自中国。然则，即使处置了碳排放问题，混凝土的分娩仍然需要销耗巨额的水、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持续组成威迫。

▍沙子的“史诗”旅程

在自然界和材料宇宙中，存在着好多令东说念主咋舌的旅程，而硅的故事好像是最精彩的之一。

硅的旅程始于地下岩石，经过亿万年的地质通顺和侵蚀，最终成为沙粒。这些沙粒在水流和风的作用下接续旋转、压实，再被冰川磨损，形成一个完整的轮回经过。大要一半的石英沙粒履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，经过多说念工序加工成晶体管，最终被装入芯片。这依然过触及各人多个地区，包括联想、加工、拼装等次序。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，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、家电等各类开荒能进行多样计较和操作。

以智高手机为例，险些总计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说念主制造的时间的一个极度出色的从头包装者。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，一些咱们已经熟习（透镜来自蔡司，玻璃来自肖特），另一些则不是那么熟习（激光器来自德国公司特鲁姆夫）。

上述次序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，咱们必须从硅初次被索取的那一刻开动。这个起初较着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演义念引颈咱们走向硅基芯片分娩的起初。这里是每年诱导超越25万名宇宙各地朝圣者的闻明地点，以其邑邑芊芊的绿色山丘、点缀其间的中叶纪修说念院和娟秀的石头村落而知名。萨克罗峰（Pico Sacro）以其特有的金字塔形态高耸于阔气郊野之上，成为了当地繁密神话的源泉。

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琢。在萨克罗峰的山眼下还荫藏着一个广大的奥秘——Serrabal石英矿，这里的石英因其结拜而知名宇宙。这些石英不仅用于禁锢性花圃和高尔夫球场，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，是中国之外宇宙最大的硅金属分娩商。如今，各人硅材料绝大多数在中国开采和精好意思，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，但在制造硅金属的经过中，更为环节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小的沙粒。

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夹杂加热。通过复杂的化学反映和强电场作用，熔化的硅金属从夹杂物均分歧出来。总计这个词经过能耗广大，对环境的影响退却忽视：每个炉子需要的电力（约45兆瓦）足以供应一个小镇，而这依然过不可幸免地会产生二氧化碳排放。

尽不断造经过中产生的碳排放时时被忽视，但从石英到硅金属的调遣仍然是时间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已经填塞，但对于硅基芯片或太阳能面板等高技术居品而言，这还只是一个起初。

（二）多晶硅：比“最纯”还要“更纯”

接下来的旅程，咱们的方针地是一个大多数东说念主未始听闻的公司，这里将Ferroglobe的冶金级硅调遣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分娩商。它的主要工场位于慕尼黑东南约一个半小时的所在，聚集奥地利边境的布尔格豪森。

这个小镇以领有宇宙最长的城堡而自重，历史上，布尔格豪森是奥地利和德国之间古老盐路的主要要津之一，盐生意虽已隐藏，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广大，占大地积险些与小镇自己相等。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。多晶硅的分娩经过称为“西门子法”，它触及将纯硅金属粉末与纯氢氯化物夹杂、蒸馏并在1150°C的环境下加热。最终得到的是肖似老式水壶加热元件的长杆，只不外这里的材料是超纯硅。

这依然过是动力密集型的。环境科学家斯米尔（Vaclav Smil）称，分娩如斯高纯度的硅所需能量是水泥的3000倍，是将铁调遣为钢的1000倍。尽管数目可能较小，但这是一个要求严格、本钱上流且时常浑浊环境的经过。最终居品是极高纯度的硅——险些是地球上最结拜的物资之一，称为多晶硅。证据蒸馏的透顶程度，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。值得详确的是，中国尚未掌抓硅片制造的“最高田地”——半导体级多晶硅的时间。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、离散、溶化、高温蒸馏和解析，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）“宇宙上最纯的材料”

在硅的纯化经过中，时时需要追求极致的纯度。在半导体制造边界，尤其是与硅材料磋商时，硅基体中的一个外来原子就足以显耀顽固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较着对比，后者对于微弱偏离其盼望组成施展出一定的容忍度。

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转移，进步了半导体的功能性。违抗，所谓的“晶界”变成的不齐备之处，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竖四的成列面貌的区别。

接下来，让咱们把硅带到了地球另一端，连接“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，该材料将履历了Czochralski经过（或简称CZ）等一系列调遣：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。这个经过肖似于在棒子上拉棉花糖，尽管在一个充满氩气的高度约束环境中进行，效力是一个结构齐备的硅锭。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，硅片的分娩既是一门艺术亦然一门科学，时间东说念主员手动约束晶体的孕育。跟着时候的推移，像日本信越这么的公司在自动化、高度约束的制造经过中最初行业。自然各人硅产量的模式主要由中国主导，但在半导体级硅片的制造边界，信越等公司依然保持着时间最初地位。这些经过的守密程度极度高，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。

在上述制造经过中的一个环节组成部分是用于熔化硅的高纯度石英坩埚，其分娩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。永久以来，各人对这种高纯度石英的供应险些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密性著称，对其矿场和加工设施的看望约束极为严格。

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、离散、磨碎、通过磁力分歧并在化学品中冲洗，最终成为一种特殊类型的沙子，填塞结拜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经过调遣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。尽管各人特别家公司试图寻找替代开端，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，若是斯普鲁斯派恩的矿场因自然灾害而停产，或者通过特定技巧破损这些矿场的加工才略，不错在短时候内住手各人半导体和太阳能板的分娩。

（四）探问台积电：从硅片到芯片

一块发祥于加利西亚山脉的硅片j，履历了从固态到液态，再到蒸汽，最终再次固化的调遣，将在台南郊外开动它的新篇章。这里虽鉴识城市喧嚣，却是当代工业的腹黑地带。台积电在此的宇宙级工场Fab 18，秀雅着各人最先进的制造才略。

台积电是一个通说念，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”芯片商的愿景调遣为有形的处理器。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本钱。以位于台湾农业腹地的Fab 18工场标杆技俩为例，其包括六个相互聚合的建筑组成的复杂体，展望支拨170亿好意思元，超越了英祯祥海峡地说念的本钱。

复杂的光滑外不雅覆盖了其里面的环节操作：广袤的空间不是用于东说念主类行为，而是用于神往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，其中环节的化学夹杂物接续地在设施中脉动。该工业古迹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为顽固开来，确保秘密的制造经过保持不受侵略。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，东说念主类的存在被最小化以贯注浑浊。

在这里还有各人最先进的极紫外（EUV）光刻机，能够在纳米级别上完成描述联想。光刻机开荒的反射行为需要借助特别制造的镜子，这些布拉格反射器则由蔡司分娩。

（五）半导体的各人旅程也属于其他制造业

即使是行业里面的东说念主士，也很少有东说念主知晓上述旅程的长度和复杂性。媒体时常报说念苹果、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，共同组成了混乱的半导体供应链：举例林顿晶体（Linton Crystal），它制造了CZ经过所需的炉子和切割硅锭的金刚石锯；日本JSR是光刻胶时间的宇宙指挥者之一；还有奥地利的EV Group和IMS Nanofabrication，它们在晶圆键合和掩模分娩方面占据主导地位。还有为多样工场提供环节机器的其他公司，它们听起来像是一串渊博的名字和缩写：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，好像也就不会再有计较机或智高手机了。

现时，一些国度正高调地驳倒“制造业回流”以致是“自食其力”，这在半导体边界好像难以行得通。台积电的Fab 18可能是宇宙上最先进的芯片制造地，但芯片联想主要发生在好意思国，而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，台积电一样无法运作。当政客们想自然地要“关起门来我方搞”时，这平时披露了他们对材料宇宙的深刻无知。

咱们身边的建筑、家中的电器，以及郊野上太阳能板，它们在与咱们致密碰头前都履历了半导体肖似的旅程。这也辅导咱们青岛第三方调查公司，在海外经济关系无比复杂的21世纪，咱们好像卤莽多样原材料和产业链保有更多敬畏。