《沙丘》大国权斗照进现实: 300年战略资源, 竟然直指中国?


来源:纵横网 浏览量(1.1w) 2024-03-18 19:43:51

✪ Ed Conway

英国天空新闻台编辑

✪ 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,几大星球家族争夺的类似于沙子的“香料”决定了人类未来的走向。在现实中,

一些广泛存在于自然界中的“非金属”原材料,因为潜在用途被视为战略物资,其中就包括“无处不在”的沙子(硅)。

当前,中国的工业硅超过全球80%产量,单晶硅、多晶硅等多种品类的占比甚至更高,不仅象征着强大的产业基础,更隐藏着潜在的战略地位。

从人类如何逐渐将“不起眼的沙子”做成数千万亿的全球产业链的历史中,我们可以更加深入地理解全球工业链的实质,并对世界的未来做出更合理的判断。

作者指出,玻璃不仅是一类产品,而且也是一种通用技术。近300年来,几乎所有推进人类知识的伟大实验都依赖某种玻璃棱镜、容器或装置。进入信息化时代,玻璃的价值只增不减:光纤、芯片制造中不可或缺,甚至能影响国家工业战略和军事进程。例如,德国政府引导下的化学和玻璃产业(如蔡司)的快速崛起,帮助其在一战和二战早期取得了重大战略优势。

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重要性不断体现出来,填海造陆活动不断增量

,防洪沙需求上升,传统的混凝土、水泥技术也在因绿色需求而发生变化。

最后,作者从Ferroglobe公司的Serrabal 石英矿出发,深度挖掘了半导体产业链的“原料上游”。在制造硅金属的过程中,更为关键的是原料的形状和大小,因此并非随处可见。仅原材料和设备制造环节,就有数百家公司像“不起眼的沙子”,作为全球半导体供应链不可或缺的组成部分。 因此,当一些政客想当然地要“关起门来自给自主”时,往往暴露了其对材料世界的深刻无知。

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《材料世界:塑造现代文明的六大原材料》

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

材料世界:沙子的故事

智造人(Homo Faber)

小说《智造人》(Homo Faber)讲述了一场发生在2900万年前的陨石爆炸事件带来的深远影像。跟随主人公班戈尔等人,小说将我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,还对沙丘的物理特性进行了科学研究。

《智造人》以新奇的视角向我们展示,沙子不仅是自然界的产物,也是人类文明和技术进步的基石。作为一种物质,沙子及普遍又独特,某些类型的沙子甚至异常珍贵。从古代的玻璃制造到现代的半导体工业,抑或是随处可见的混凝土建筑,对沙子的利用事关产业政策与经济发展,甚至牵动着国家的战略安全

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(本文编译自《材料世界:塑造现代文明的六大原材料》一书)

(一)玻璃:“先进制造”的基础

历史学家对人类发展的思考中,“玻璃”提供了一个重要视角。

玻璃的发明和应用,特别是透镜和镜子,对工业革命以及人类对自然界认知的深化产生了深远影响。透镜的出现不仅促进了天文学的突破,如伽利略发现地球绕太阳转,还改变了人们的工作和生活方式,如通过眼镜延长工作生命。此外,玻璃器具对早期显微镜的制造至关重要,开启了细胞学和微生物学的大门。文艺复兴时期,玻璃的使用更是改变了艺术创作的视角,达·芬奇认为镜子是“画家背后的大师”。

从波伊尔和胡克创建真空室,到牛顿的光学理论,再到法拉第对电的研究,几乎所有推进人类知识的伟大实验都以某种方式依赖于玻璃棱镜、容器或装置。换言之,玻璃是一种基础性创新,一种像轮子、蒸汽机和半导体这样的通用技术。这种神奇的产品之所以重要,不仅仅因为它本身,还因为它带来的更多的想象和发明。直到今天,玻璃仍扮演着重要角色。互联网大多是通过玻璃纤维传输,芯片制造的整个链条上也有着大量玻璃相关的设备。

关于玻璃的发明者,众说纷纭。最著名的起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,晚上烹饪时将锅置于纳特龙(一种早期的含钠肥皂)上。当火烧热纳特龙时,与沙子反应,奇迹般地产生了流动的透明物质——这就是玻璃的最初发现。

虽然普林尼的故事可能带有夸张成分,但玻璃的发明无疑是多次在不同文明中独立发现的,包括叙利亚、中国和埃及等。有的研究将玻璃的最初创新追溯到近10000年前的陶器釉料技术,有的则认为其发展于公元前二至三千年间。不过,普林尼的故事强调了化学在玻璃制造中的重要性。

制作玻璃的主要挑战在于,沙子的主要成分——硅石(二氧化硅)需要在超过1700°C的极高温度才能熔化。通过添加所谓的“助熔剂”,可以在更低的温度下使硅石熔化,同时去除玻璃中的杂质,改善最终产品质量。

好的玻璃看上去清晰完美,但在分子层面上更像是一个无序的原子混合体,被科学家称为“非晶态固体”或“过冷液体”。实际上,玻璃既是液体也是固体,但在常温下它表现为固体形态。历史上,人们对玻璃的理解和制造技术经历了长期的发展,直到十九世纪才发展出平板玻璃技术,二十世纪中叶才有了真正光滑的薄玻璃片。

最终产品可能充满神秘,但一切都始于沙粒。人们对穆拉诺工匠制作出的非凡玻璃的技艺赞不绝口,但却很少提及威尼斯碰巧位于完美的原材料地点。当地工匠们在实践中意识到,通过烤制和研磨石英卵石可以获得更纯净的沙子,其中最好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:我们今天从哪里获得这些沙子?这些“完美的颗粒”都在哪里?

(二)“最纯洁”的沙子在哪里?

洛克阿琳(Lochaline)并非苏格兰最偏远小镇,但从格拉斯哥出发需经过三至四小时车程,搭渡轮及穿越连绵山谷的长途驾驶。我将前往这里,寻找世界上最纯净的硅砂之一。

硅砂含95%以上硅,用途广泛,从过滤水到制造铸造模具,甚至是现代火车制动系统的关键成分。但最关键的是,它是制造高清晰度玻璃的主要原料。世界上著名的“银沙”(silver sands)分布于法国、比利时、荷兰、德国以及北美和巴西等地。尽管不稀缺,但也不是随处可见。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,美丽的白色沙滩边生活着丰富的生物。然而,6000万年前的一次大规模火山爆发将这一切埋藏于熔岩之下。正是在这层火山岩下,隐藏着由99%纯净硅组成的“银沙”,几乎不含铁氧化物。这种沙子不适合建造沙堡,却能制作出非常清晰的玻璃。与通常的采石场不同,洛克阿琳的沙子职能通过地下开采得到。

从表面上看,洛克阿琳作为一个采矿点似乎很奇怪。它是如此偏远,唯一的运沙方式是通过水路,而且距离将原材料转化为可用产品的工厂和工厂数百英里;沉重的沙子相比其他矿产似乎并不值钱。但这里的沙子并不一样:它可用于生产光学玻璃,特别是用于军事设备如双筒望远镜和瞄准镜的镜片。这也引出了第一次世界大战中,玻璃在人类历史中扮演的重要角色。

(三)玻璃饥荒

1915年晚夏,盟军与德军在西线陷入战壕战。同时,在奥斯曼土耳其的南部,英国和澳新军团努力控制达达尼尔海峡。伦敦的军需部秘密派遣一名特工前往瑞士,任务是确保运送极度需要的军事技术——野战望远镜。

今天,任何人都能轻易订购便宜的双筒望远镜,但在20世纪大部分时间里,这些工具代表了技术前沿与军事优势。上世纪初,随着武器技术的进步,正确的光学测距仪成为了绝对必需品,尤其是在炮弹可以发射数十英里远的情况下。

1914年一战爆发。在此之前,德国在全球精密光学器械(包括双筒望远镜和望远镜)的供应上实现了垄断。这不仅是经济问题,还关系到战争初期德国狙击手的巨大优势。几乎所有的步枪瞄准镜上都刻有蔡司(Zeiss)的品牌名,而里面的玻璃来自一个相关但独立的公司:肖特(Schott)。肖特还发明了我们今天仍在使用的硼硅酸盐玻璃,用于制造烤箱器皿和运输新冠疫苗的小瓶。

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%。战争爆发后,外国供应立即被切断。英国科学界此前曾多次发出警告,英国在光学制造上严重落后,以至于不能满足现代战争中光学辅助设备的需求。

随后,英国人民被呼吁捐赠家中的单、双筒望远镜,但这远远不能满足前线的需求。于是,1915年,英国军需部派遣一名特工前往中立的瑞士,企图从德国获取双筒望远镜。调查显示,德国可能是唯一能大批量供应光学器械的国家。令人惊讶的是,德国竟同意提供32000对双筒望远镜以及其他光学器械,条件是交换橡胶。这一交易的原因是:英国及其盟友控制着世界上大部分橡胶生产,而德国急需橡胶用于其军事机械。

这个故事说明,材料短缺在战争中占据重要地位,而大国在关键时刻也愿意暂停战争的常规规则进行交易。在特殊情况下,例如战争或其他全球危机中,原材料的价格和价值之间会存在显著差异。

(四)玻璃与欧洲工业战略的诞生

在玻璃制造的早期历史中,英国牧师和政治家哈考特(William Vernon Harcourt)曾尝试了多种元素的组合以改善玻璃质量,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贡献,这对后来的光学和电力时代产生了重要影响。

随着时间的推进,英国的光学霸权逐渐转移到了德国,这一变化是由多种因素造成的,一方面,英国的窗户税和玻璃生产税使得许多家庭和玻璃制造商受到了负担,结果是一段时间内只有最富有的人能购买重晶体玻璃并建造温室,最终导致玻璃制造业的衰落。

与此同时,在普鲁士政府为初创的玻璃行业提供财政支持并保证订单,这是一种十九世纪的工业策略,并且竟然是由诗人歌德领导的。此外,德国的化学和制药业也在做类似于玻璃业:企业引入更加严格科技与标准,转变那些曾经的手工业。

在1915年的“饥荒”和那场秘密的玻璃-橡胶贸易之后,英国军需部投入了大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许多德国的玻璃产品,并在战争结束时能够生产足够的玻璃供应自己军队和一些盟友。

在二战期间,英国的光学工厂再次面临挑战。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。然而,英国官员发现了洛克阿琳的石英沙矿,这成为了英国战争努力的一个关键组成部分,为光学工厂提供了必要的原料。在今天西方提出所谓“关键矿物”概念的一百年前,洛克阿琳就已经是一个重要性的战略要地,而今天和当时一样,很少有人知道它的存在。

如今,洛克阿琳的石英沙矿仍然在运营,它不仅支持了本地经济,还为全球的技术和环保努力提供了重要的资源。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。当然,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,成为薄而完美平坦的显示器面板。

(五)用“玻璃”连接世界

1934年,美国化学家海德(James Franklin Hyde)在纽约州北部的科宁实验室,首次通过化学方法合成了几乎完美的纯矽砂玻璃。这种石英玻璃的纯净度超过了自然界中“最纯的”利比亚沙漠玻璃。这一发明在此后极大地促进了光学领域的革新,但在当时,科宁的研究人员最初并未意识到其潜在的巨大价值。

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)发现了光纤通信的潜力。他通过使用海德发明的超纯熔融石英玻璃生产了光纤,其本质上就是两层玻璃构成的长线,内层传输信息,外层保持光线反射在纤维内。他证明了光纤传输数公里都几乎不损失数据,并开启了光纤时代,极大地改变了远距离通信方式。此前信息主要通过铜线传输,但传输能力和速度相当有限。

查尔斯·高在2009年获得诺贝尔物理学奖,并被英国女王封为爵士。光纤技术的发展,以及对玻璃特性的深入理解,对现代通信产生了革命性影响。几乎所有现代通信都通过光纤进行,包括互联网、电话和电视等。尽管在日常生活中不易察觉,但光纤网络连接了全球,成为现代社会运作的基础设施。

很少有物质像我们用来构建周围世界的沙子这样默默无闻。它们是现代生活的基础,但我们对它们却如此熟视无睹,不知道它们有多重要。

如何把房子建在沙子上?

在基督教的比喻中,“把房子建在沙地上”象征着愚蠢。随着技术的发展,在沙地上搞房地产也并非不可能,关键在于选择合适的沙子。错误的沙子,如圆润的沙漠沙或在雨季变得不稳定的冲积沙,确实不适合建造。如今,通过采用恰当的基础或技术,沙地上上也能建造稳固的结构。迪拜的哈利法塔和棕榈岛朱美拉就是典型案例。

不过,即使是最好的压实技术也不能将沙漠沙子变成新的陆地。从它们完成的那一刻起,这些人造岛屿就在与自然界的持续战斗中,与侵蚀它们并慢慢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世纪以来就有类似行为,而这股风潮随着现代化也开始席卷亚洲。自19世纪以来,东京向海洋新增了25000公顷土地,中国也在扩展其沿海城市。如今,国家领海的基于海岸线,使得填海造陆也就成为21世纪外交的新前沿,影响渔业、资源开采及军事布局。此外,随着气候变化和海平面上升,对防洪沙的需求正在加速,而马尔代夫和新加坡计划通过填海应对这一挑战,并导致新加坡成为最大的沙子进口国。

(一)人类“淘沙热”

尽管我们习惯将沙子视为无尽的普通资源,但实际上,并非所有沙子都相同。这就解释了为什么沙漠国家如迪拜会从比利时、荷兰甚至英国进口沙子——因为某些特定类型的沙子对于工业和建筑更为重要。相较之下,我们对沙子的开采几乎没有什么规范和监控,这使得评估人类历史上挖掘和移动的沙子总量变得异常困难。

研究显示,人类每年的开采量是自然侵蚀过程年移动量的24倍,这突显了自1955年以来人类成为地球上一股强大的地质力量。如此大规模的开采活动不仅改变了地球表面,还在某种程度上,定义了一个全新的地质时代——人类世。我们在过去一个世纪中挖掘的物质总量高达6.7太吨,这一数字几乎难以想象。

沙子的来源变得日益重要。因为沙子不仅是建筑材料,也在自然生态系统中扮演着关键角色,如支持河岸植物生长、形成天然屏障以及作为生物栖息地等。然而,在许多非发达国家,沙子的开采往往不受监管,之后被运往欧洲和加那利群岛,用于建设发达国家的建筑和旅游沙滩。

在亚洲和非洲的某些地区,对于建筑用沙的巨大需求导致了对这些自然资源的过度开采。这一点在湄公河三角洲尤为明显。河岸已不复存在,取而代之的是沙子被挖走后形成的陡峭落水处,每年有大约两平方英里的土地正在丧失。在印度,"沙子黑手党"已成为腐败网络的代表,涉及从从河床和海滩挖掘沙子的人,到将这些沙子运往建筑工地的供应链,再到房地产开发商、警察,甚至是传闻中的一些政治家。对此,联合国环境规划署甚至将沙子列为一种战略矿物,强调了其对于维持现代社会基础设施和经济发展的重要性。

(二)混凝土:最被低估的原材料

如果要改善发展中国家低收入家庭的生活,你会选择提供现金、营养补给品还是一袋水泥?答案或许出人意料:是水泥。墨西哥的一个实例证明了这一点,该国提供水泥给贫困家庭铺设地板,结果寄生虫感染率下降了78%,儿童腹泻和贫血的情况也显著减少,学校表现和母亲的幸福感也有所提高。此外,将泥土道路替换为混凝土路面,可以显著提高附近居民的工资,并增加儿童入学率。

我们常常低估了建筑世界的重要性。在所有建筑材料中,没有哪种像水泥那样迅速地产生了巨大影响。与砖石建筑相比,混凝土的使用大大简化了建筑过程。你只需将混凝土浇入模具中,原本需要数日或数周的工作现在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性。即便是城市中那些单调的、看似无生命的混凝土建筑,其内部的化学反应仍在进行,混凝土仍在继续硬化和反应。即使是像胡佛大坝这样的巨型建筑,多年后也仍在逐渐变得更加坚固。

需要澄清的是,混凝土和水泥并不完全相同。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)煅烧和粉碎后得到的粉末。加水后,水泥中的钙和硅与水反应,形成一种灰色的凝胶,其中充满了无数的微观石质触须。这些触须,或者说是硅酸钙水合物的晶体,相互交错和扩展,锁住水分,形成了一种骨架般的石质结构。在混合物中加入砾石和沙子,这些触须不仅自我结合,还会围绕石子和沙子,创造出混凝土——一种可以倾倒的岩石。

(三)混凝土的另一面

尽管人类仅在一个多世纪前才开始大规模生产这种由沙子、骨料和水泥混合而成的材料,但现在地球上人均拥有超过80吨的混凝土。这一数字远超地球上所有生物的总重量:每头牛、每棵树、每个人以及所有植物、动物、细菌和单细胞生物。我们每年生产的混凝土足以覆盖整个英格兰的陆地面积。

以天津为例,这个拥有1500万人口的超级城市,从海岸线一直延伸到北京附近。2014年,天津被誉为“世界高楼之都”,同年,中国的水泥生产速度呈现出指数级增长。近年来,天津的建筑热潮消退,曾经的经济增长亮点变成了疲软环节。中国政府在2020年限制新建摩天大楼的数量和高度,并在2021年开始拆除许多未完成的大楼。

虽然混凝土配方容易正确,但错误的情况也时有发生。2010年海地地震造成的大量破坏部分归因于劣质建筑。美国近十分之一的桥梁结构缺陷,英国情况可能更糟,几乎一半的高速公路或A级道路桥梁存在缺陷。“钢筋混凝土”可以支持更加大胆的建筑和桥梁的建设,但配方错误时会导致更多的灾难。例如,2021年迈阿密北部一座公寓楼坍塌,调查员指出裂缝的混凝土和腐蚀的钢筋是可能的罪魁祸首。

(四)气候变化下的混凝土产业变革

水泥生产是全球最大的碳排放源之一,占全球碳排放的7-8%,超过航空业和森林砍伐的总和。水泥的生产分为两个主要环节:化学反应和高温加热。目前,通过使用替代燃料加热窑炉和添加其他物质来减少水泥熟料,已在发达经济体如英国和美国实现了超过50%的碳排放减少。然而,化学反应环节的碳排放难以根除,目前的解决方案包括稀释熟料和碳捕获及封存技术,但这些方法成本高昂,尚未广泛应用。

在一些国家,碳排放问题进一步加剧了制造水泥所需材料的短缺。尽管石灰石总量丰富,但许多国家开始不愿签署新的采矿/采石许可证。没有了石灰石,就没有了水泥的核心粘合剂。在 2021年,瑞典面临着混凝土突然短缺的问题,因为最高土地和环境法院决定拒绝给该国最大的水泥生产商 Cementa 在 Gotland 岛颁发一个新的石灰石采矿许可证。

此外,混凝土生产也非常依赖于供应充足、持续的水源来进行化学反应。我们对混凝土的巨大需求是如此之大,以至于仅混凝土的使用就占据了世界工业用水的大约十分之一。与之相对应的是,目前世界上大部分新鲜的混凝土都是在干旱和水资源不足的国家浇筑的。

尽管存在替代水泥的技术,如碱激活水泥,但其长期耐久性仍存在疑问。尽管面临挑战,但还是有新技术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”,这些新型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产品正在研究中。

一个令人兴奋的发展方向是开发能够吸收二氧化碳的负碳混凝土。例如,Solidia公司开发的水泥,能够在每1000kg水泥中吸收多达240kg的二氧化碳。然而,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。

虽然存在许多挑战,但全球正处于一个新的竞赛中,旨在重新发明无碳排放的混凝土。有希望的是,超过50%的新型混凝土专利由中国公司和学术机构申请,预示着未来的突破可能来自中国。然而,即使解决了碳排放问题,混凝土的生产仍然需要消耗大量的水、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持续构成威胁。

沙子的“史诗”旅程

在自然界和材料世界中,存在着许多令人惊叹的旅程,而硅的故事或许是最精彩的之一。

硅的旅程始于地下岩石,经过亿万年的地质运动和侵蚀,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,形成一个完整的循环过程。大约一半的石英沙粒经历了六次这样的循环,从岩石到沙子再到岩石。

但硅并不会止步于此。它被开采出来,经过多道工序加工成晶体管,最终被装入芯片。这一过程涉及全球多个地区,包括设计、加工、组装等环节。1947年的第一个半导体装置有小孩的手那么大,其中的晶体管约有一厘米;今天的晶体管已达到纳米级别,甚至小于可见光波长。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、家电等各类设备能进行各种计算和操作。

以智能手机为例,几乎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人制造的技术的一个非常出色的重新包装者。即使是印有苹果商标的芯片,实际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,而该机器的核心部件又由其他公司制造,一些我们已经熟悉(透镜来自蔡司,玻璃来自肖特),另一些则不是那么熟悉(激光器来自德国公司特鲁姆夫)。

上述环节只涵盖了硅原子进入智能手机前的最后几步。若要刨根问底,我们必须从硅首次被提取的那一刻开始。这个起点显然不是一尘不染的工厂,而是处在尘土、烟雾和火焰当中。

(一)西班牙:硅基芯片的源头

在距离西班牙圣地亚哥-德孔波斯特拉(Santiago de Compostela)大约15英里的加利西亚森林深处,一条尘土飞扬的石头小道引领我们走向硅基芯片生产的起点。这里是每年吸引超过25万名世界各地朝圣者的著名地点,以其郁郁葱葱的绿色山丘、点缀其间的中世纪修道院和美丽的石头村庄而闻名。萨克罗峰(Pico Sacro)以其独特的金字塔形态高耸于肥沃田野之上,成为了当地众多传说的源泉。

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土地,形成了石英岩体的天然雕塑。在萨克罗峰的山脚下还隐藏着一个巨大的奥秘——Serrabal石英矿,这里的石英因其纯净而闻名世界。这些石英不仅用于装饰性花园和高尔夫球场,更重要的是,它们是先进硅基芯片的原材料。

拥有这座矿山的公司是Ferroglobe,一家西班牙企业,是中国以外世界最大的硅金属生产商。如今,全球硅材料绝大多数在中国开采和精炼,但Ferroglobe还在美国、加拿大和南非拥有石英矿,是少数例外之一。尽管Serrabal矿区的石英纯度并非最高,但在制造硅金属的过程中,更为关键的是石英的形状和大小,需要的是拳头大小的石英块而非细小的沙粒。

这些石英块被运往北部科鲁尼亚港外的Sabón工厂,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合加热。通过复杂的化学反应和强电场作用,熔化的硅金属从混合物中分离出来。整个过程能耗巨大,对环境的影响不容忽视:每个炉子需要的电力(约45兆瓦)足以供应一个小镇,而这一过程不可避免地会产生二氧化碳排放。

尽管制造过程中产生的碳排放往往被忽视,但从石英到硅金属的转化仍然是技术革命不可或缺的一部分。在Sabón工厂,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%。虽然这一纯度对大多数应用已经足够,但对于硅基芯片或太阳能面板等高科技产品而言,这还只是一个起点。

(二)多晶硅:比“最纯”还要“更纯”

接下来的旅程,我们的目的地是一个大多数人未曾听闻的公司,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)的德国公司是中国以外最大的多晶硅生产商。它的主要工厂位于慕尼黑东南约一个半小时的地方,靠近奥地利边境的布尔格豪森。

这个小镇以拥有世界最长的城堡而自豪,历史上,布尔格豪森是奥地利和德国之间古老盐路的主要枢纽之一,盐贸易虽已消失,但它依然是德国较富裕的城镇之一,现在成为化工产业的中心。

布尔格豪森的化工厂规模巨大,占地面积几乎与小镇本身相当。这里不仅有发电站、炼油厂,还有无数烟囱、化工仓库和棚户区。工厂还有一个足球俱乐部,参加巴伐利亚联赛。多晶硅的生产过程称为“西门子法”,它涉及将纯硅金属粉末与纯氢氯化物混合、蒸馏并在1150°C的环境下加热。最终得到的是类似旧式水壶加热元件的长杆,只不过这里的材料是超纯硅。

这一过程是能源密集型的。环境科学家斯米尔(Vaclav Smil)称,生产如此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。尽管数量可能较小,但这是一个要求严格、成本高昂且经常污染环境的过程。最终产品是极高纯度的硅——几乎是地球上最纯净的物质之一,称为多晶硅。根据蒸馏的彻底程度,可以获得不同纯度等级的多晶硅,用“九”的数量来命名。

多晶硅的绝大多数用于太阳能电池板,大部分在中国制造。值得注意的是,中国尚未掌握硅片制造的“最高境界”——半导体级多晶硅的技术。这种多晶硅的纯度可以达到十个九(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取、在高温炉中熔化、粉碎、溶解、高温蒸馏和分解,我们的硅还没准备好成为硅基芯片。当前,旅程才刚刚过半。

(三)“世界上最纯的材料”

在硅的纯化过程中,往往需要追求极致的纯度。在半导体制造领域,尤其是与硅材料有关时,硅基体中的一个外来原子就足以显著阻碍晶体管内电子的流动。这种对细节的敏感性与像水泥这样的材料形成鲜明对比,后者对于轻微偏离其理想组成表现出一定的容忍度。

此外,硅自身的原子结构也极为重要。一个无瑕的原子结构允许电子平滑且自由地移动,提高了半导体的功能性。相反,所谓的“晶界”造成的不完美之处,可以中断电子流,导致潜在的失败。这种差异可以视为盒子里整齐排列的鸡蛋与杂乱无章的排列方式的区别。

接下来,让我们把硅带到了地球另一端,继续“提纯之旅”。在美国俄勒冈州波特兰附近信越公司(Shin-Etsu)的工厂,由哥伦比亚河提供的水电驱动,该材料将经历了Czochralski过程(或简称CZ)等一系列转化:将多晶硅熔化在石英坩埚中,并小心地拉出一个晶体,这个晶体形成了硅片的基础。这个过程类似于在棒子上拉棉花糖,尽管在一个充满氩气的高度控制环境中进行,结果是一个结构完美的硅锭。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,硅片的生产既是一门艺术也是一门科学,技术人员手动控制晶体的生长。随着时间的推移,像日本信越这样的公司在自动化、高度控制的制造过程中领先行业。虽然全球硅产量的格局主要由中国主导,但在半导体级硅片的制造领域,信越等公司依然保持着技术领先地位。这些过程的保密程度非常高,这是由涉及的高价值知识产权和它提供的竞争优势所驱动的。

在上述制造过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,其生产材料来自美国北卡罗来纳州的斯普鲁斯派恩(Spruce Pine)小镇。长期以来,全球对这种高纯度石英的供应几乎完全依赖于此地的一个名为西贝尔科(Sibelco)的比利时公司。西贝尔科以极高的保密性著称,对其矿场和加工设施的访问控制极为严格。

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、粉碎、磨碎、通过磁力分离并在化学品中冲洗,最终成为一种特殊类型的沙子,足够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过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。尽管全球有数家公司试图寻找替代来源,但迄今为止,没有任何石英能够匹敌这里的石英纯度。这种对一个地理位置的极端依赖引发了对供应链可能中断的担忧。例如,如果斯普鲁斯派恩的矿场因自然灾害而停产,或者通过特定手段破坏这些矿场的加工能力,可以在短时间内停止全球半导体和太阳能板的生产。

(四)探访台积电:从硅片到芯片

一块起源于加利西亚山脉的硅片j,经历了从固态到液态,再到蒸汽,最终再次固化的转变,将在台南郊外开始它的新篇章。这里虽远离城市喧嚣,却是现代工业的心脏地带。台积电在此的世界级工厂Fab 18,象征着全球最先进的制造能力。

台积电是一个通道,将苹果和特斯拉等科技巨头,以及如英伟达和高通这样的“无工厂”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1350亿美元,相当于十艘美国福特级航空母舰的成本。以位于台湾农业腹地的Fab 18工厂标杆项目为例,其包括六个相互连接的建筑组成的复杂体,预计支出170亿美元,超过了英吉利海峡隧道的成本。

复杂的光滑外观掩盖了其内部的关键操作:广阔的空间不是用于人类活动,而是用于维护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,其中关键的化学混合物不断地在设施中脉动。该工业奇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活动隔离开来,确保微妙的制造过程保持不受干扰。制造厂的核心由一系列机器主导,每台机器都在硅片上执行精确的任务。这里的自动化程度极高,人类的存在被最小化以防止污染。

在这里还有全球最先进的极紫外(EUV)光刻机,能够在纳米级别上完成刻画设计。光刻机设备的反射活动需要借助特别制造的镜子,这些布拉格反射器则由蔡司生产。

(五)半导体的全球旅程也属于其他制造业

即使是行业内部的人士,也很少有人理解上述旅程的长度和复杂性。媒体经常报道苹果、富士康、台积甚至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,共同组成了庞杂的半导体供应链:例如林顿晶体(Linton Crystal),它制造了CZ过程所需的炉子和切割硅锭的金刚石锯;日本JSR是光刻胶技术的世界领导者之一;还有奥地利的EV Group和IMS Nanofabrication,它们在晶圆键合和掩模生产方面占据主导地位。还有为各种工厂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……仅仅去掉其中的一两家公司,或许也就不会再有计算机或智能手机了。

当前,一些国家正高调地谈论“制造业回流”甚至是“自给自足”,这在半导体领域或许难以行得通。台积电的Fab 18可能是世界上最先进的芯片制造地,但芯片设计主要发生在美国,并且依赖总部位于英国剑桥的ARM的知识产权。没有来自荷兰和日本的机械工具,没有来自德国的化学品以及来自一系列其他国家的零件和碎片,台积电同样无法运作。当政客们想当然地要“关起门来自己搞”时,这通常暴露了他们对材料世界的深刻无知。

我们身边的建筑、家中的电器,以及田野上太阳能板,它们在与我们正式见面前都经历了半导体类似的旅程。这也提醒我们,在国际经济关系无比复杂的21世纪,我们或许应对各种原材料和产业链保有更多敬畏。







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