《沙丘》大國權鬥照進現實: 300年戰略資源, 竟然直指中國?

✪ Ed Conway

英國天空新聞臺編輯

✪ 慧諾(編譯) | 文化縱橫新媒體

✪ 談行藏 (審校) | 文化縱橫新媒體

【導讀】在電影《沙丘》中，幾大星球家族爭奪的類似於沙子的“香料”決定了人類未來的走向。在現實中，一些廣泛存在於自然界中的“非金屬”原材料，因爲潛在用途被視爲戰略物資，其中就包括“無處不在”的沙子（硅）。當前，中國的工業硅超過全球80%產量，單晶硅、多晶硅等多種品類的佔比甚至更高，不僅象徵着強大的產業基礎，更隱藏着潛在的戰略地位。從人類如何逐漸將“不起眼的沙子”做成數千萬億的全球產業鏈的歷史中，我們可以更加深入地理解全球工業鏈的實質，並對世界的未來做出更合理的判斷。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

作者指出，玻璃不僅是一類產品，而且也是一種通用技術。近300年來，幾乎所有推進人類知識的偉大實驗都依賴某種玻璃棱鏡、容器或裝置。進入信息化時代，玻璃的價值只增不減：光纖、芯片製造中不可或缺，甚至能影響國家工業戰略和軍事進程。例如，德國政府引導下的化學和玻璃產業（如蔡司）的快速崛起，幫助其在一戰和二戰早期取得了重大戰略優勢。建築行業對沙子的應用也在發生最新變化：過度開採使得沙子對生態的重要性不斷體現出來，填海造陸活動不斷增量，防洪沙需求上升，傳統的混凝土、水泥技術也在因綠色需求而發生變化。‍‍‍‍‍‍‍‍‍

最後，作者從Ferroglobe公司的Serrabal石英礦出發，深度挖掘了半導體產業鏈的“原料上游”。在製造硅金屬的過程中，更爲關鍵的是原料的形狀和大小，因此並非隨處可見。僅原材料和設備製造環節，就有數百家公司像“不起眼的沙子”，作爲全球半導體供應鏈不可或缺的組成部分。因此，當一些政客想當然地要“關起門來自給自主”時，往往暴露了其對材料世界的深刻無知。

本文爲文化縱橫新媒體原創編譯系列“關鍵產業與關鍵資源之變”之七，摘譯自Ed Conway著《材料世界：塑造現代文明的六大原材料》（Material World: The Six Raw Materials That Shape Modern Civilization，Published in 2023 by Knopf）。文章僅代表作者觀點，供讀者參考辨析。

材料世界：沙子的故事

▍智造人（Homo Faber）

小說《智造人》（Homo Faber）講述了一場發生在2900萬年前的隕石爆炸事件帶來的深遠影像。跟隨主人公班戈爾等人，小說將我們帶入了茫茫大沙海進行探險，不僅發現了“利比亞沙漠玻璃”等特殊材料，還對沙丘的物理特性進行了科學研究。

《智造人》以新奇的視角向我們展示，沙子不僅是自然界的產物，也是人類文明和技術進步的基石。作爲一種物質，沙子及普遍又獨特，某些類型的沙子甚至異常珍貴。從古代的玻璃製造到現代的半導體工業，抑或是隨處可見的混凝土建築，對沙子的利用事關產業政策與經濟發展，甚至牽動着國家的戰略安全。

（本文編譯自《材料世界：塑造現代文明的六大原材料》一書）

（一）玻璃：“先進製造”的基礎

歷史學家對人類發展的思考中，“玻璃”提供了一個重要視角。

玻璃的發明和應用，特別是透鏡和鏡子，對工業革命以及人類對自然界認知的深化產生了深遠影響。透鏡的出現不僅促進了天文學的突破，如伽利略發現地球繞太陽轉，還改變了人們的工作和生活方式，如通過眼鏡延長工作生命。此外，玻璃器具對早期顯微鏡的製造至關重要，開啓了細胞學和微生物學的大門。文藝復興時期，玻璃的使用更是改變了藝術創作的視角，達·芬奇認爲鏡子是“畫家背後的大師”。

從波伊爾和胡克創建真空室，到牛頓的光學理論，再到法拉第對電的研究，幾乎所有推進人類知識的偉大實驗都以某種方式依賴於玻璃棱鏡、容器或裝置。換言之，玻璃是一種基礎性創新，一種像輪子、蒸汽機和半導體這樣的通用技術。這種神奇的產品之所以重要，不僅僅因爲它本身，還因爲它帶來的更多的想象和發明。直到今天，玻璃仍扮演着重要角色。互聯網大多是通過玻璃纖維傳輸，芯片製造的整個鏈條上也有着大量玻璃相關的設備。

關於玻璃的發明者，衆說紛紜。最著名的起源故事來自羅馬學者普林尼老者（Pliny the Elder）：腓尼基船員在今天的以色列海灘上，晚上烹飪時將鍋置於納特龍（一種早期的含鈉肥皂）上。當火燒熱納特龍時，與沙子反應，奇蹟般地產生了流動的透明物質——這就是玻璃的最初發現。

雖然普林尼的故事可能帶有誇張成分，但玻璃的發明無疑是多次在不同文明中獨立發現的，包括敘利亞、中國和埃及等。有的研究將玻璃的最初創新追溯到近10000年前的陶器釉料技術，有的則認爲其發展於公元前二至三千年間。不過，普林尼的故事強調了化學在玻璃製造中的重要性。

製作玻璃的主要挑戰在於，沙子的主要成分——硅石（二氧化硅）需要在超過1700°C的極高溫度才能熔化。通過添加所謂的“助熔劑”，可以在更低的溫度下使硅石熔化，同時去除玻璃中的雜質，改善最終產品質量。

好的玻璃看上去清晰完美，但在分子層面上更像是一個無序的原子混合體，被科學家稱爲“非晶態固體”或“過冷液體”。實際上，玻璃既是液體也是固體，但在常溫下它表現爲固體形態。歷史上，人們對玻璃的理解和製造技術經歷了長期的發展，直到十九世紀才發展出平板玻璃技術，二十世紀中葉纔有了真正光滑的薄玻璃片。

最終產品可能充滿神秘，但一切都始於沙粒。人們對穆拉諾工匠製作出的非凡玻璃的技藝讚不絕口，但卻很少提及威尼斯碰巧位於完美的原材料地點。當地工匠們在實踐中意識到，通過烤制和研磨石英卵石可以獲得更純淨的沙子，其中最好的石英卵石來自從瑞士阿爾卑斯山流向意大利北部的提契諾河牀（Ticino），其中二氧化硅純度可達98%。這也引出了一個問題：我們今天從哪裡獲得這些沙子？這些“完美的顆粒”都在哪裡？

（二）“最純潔”的沙子在哪裡？

洛克阿琳（Lochaline）並非蘇格蘭最偏遠小鎮，但從格拉斯哥出發需經過三至四小時車程，搭渡輪及穿越連綿山谷的長途駕駛。我將前往這裡，尋找世界上最純淨的硅砂之一。

硅砂含95%以上硅，用途廣泛，從過濾水到製造鑄造模具，甚至是現代火車制動系統的關鍵成分。但最關鍵的是，它是製造高清晰度玻璃的主要原料。世界上著名的“銀沙”（silver sands）分佈於法國、比利時、荷蘭、德國以及北美和巴西等地。儘管不稀缺，但也不是隨處可見。長期以來，英國都未能找到這種原材料，直到一個世紀前發現了洛克阿琳。

洛克阿琳曾是熱帶海洋的河口，美麗的白色沙灘邊生活着豐富的生物。然而，6000萬年前的一次大規模火山爆發將這一切埋藏於熔岩之下。正是在這層火山岩下，隱藏着由99%純淨硅組成的“銀沙”，幾乎不含鐵氧化物。這種沙子不適合建造沙堡，卻能製作出非常清晰的玻璃。與通常的採石場不同，洛克阿琳的沙子職能通過地下開採得到。

從表面上看，洛克阿琳作爲一個採礦點似乎很奇怪。它是如此偏遠，唯一的運沙方式是通過水路，而且距離將原材料轉化爲可用產品的工廠和工廠數百英里；沉重的沙子相比其他礦產似乎並不值錢。但這裡的沙子並不一樣：它可用於生產光學玻璃，特別是用於軍事設備如雙筒望遠鏡和瞄準鏡的鏡片。這也引出了第一次世界大戰中，玻璃在人類歷史中扮演的重要角色。

（三）玻璃饑荒

1915年晚夏，盟軍與德軍在西線陷入戰壕戰。同時，在奧斯曼土耳其的南部，英國和澳新軍團努力控制達達尼爾海峽。倫敦的軍需部秘密派遣一名特工前往瑞士，任務是確保運送極度需要的軍事技術——野戰望遠鏡。

今天，任何人都能輕易訂購便宜的雙筒望遠鏡，但在20世紀大部分時間裡，這些工具代表了技術前沿與軍事優勢。上世紀初，隨着武器技術的進步，正確的光學測距儀成爲了絕對必需品，尤其是在炮彈可以發射數十英里遠的情況下。

1914年一戰爆發。在此之前，德國在全球精密光學器械（包括雙筒望遠鏡和望遠鏡）的供應上實現了壟斷。這不僅是經濟問題，還關係到戰爭初期德國狙擊手的巨大優勢。幾乎所有的步槍瞄準鏡上都刻有蔡司（Zeiss）的品牌名，而裡面的玻璃來自一個相關但獨立的公司：肖特（Schott）。肖特還發明瞭我們今天仍在使用的硼硅酸鹽玻璃，用於製造烤箱器皿和運輸新冠疫苗的小瓶。

到了1914年，英國對德國，或者說對蔡司的精密玻璃依賴已達60%，剩餘30%來自法國，國內公司僅佔10%。戰爭爆發後，外國供應立即被切斷。英國科學界此前曾多次發出警告，英國在光學制造上嚴重落後，以至於不能滿足現代戰爭中光學輔助設備的需求。

隨後，英國人民被呼籲捐贈家中的單、雙筒望遠鏡，但這遠遠不能滿足前線的需求。於是，1915年，英國軍需部派遣一名特工前往中立的瑞士，企圖從德國獲取雙筒望遠鏡。調查顯示，德國可能是唯一能大批量供應光學器械的國家。令人驚訝的是，德國竟同意提供32000對雙筒望遠鏡以及其他光學器械，條件是交換橡膠。這一交易的原因是：英國及其盟友控制着世界上大部分橡膠生產，而德國急需橡膠用於其軍事機械。

這個故事說明，材料短缺在戰爭中佔據重要地位，而大國在關鍵時刻也願意暫停戰爭的常規規則進行交易。在特殊情況下，例如戰爭或其他全球危機中，原材料的價格和價值之間會存在顯著差異。

（四）玻璃與歐洲工業戰略的誕生

在玻璃製造的早期歷史中，英國牧師和政治家哈考特（William Vernon Harcourt）曾嘗試了多種元素的組合以改善玻璃質量，包括嘗試加入鈾，創造出在紫外光下會發光的玻璃。法拉第（Michael Faraday）在硼硅酸鹽玻璃的發明上也有所貢獻，這對後來的光學和電力時代產生了重要影響。

隨着時間的推進，英國的光學霸權逐漸轉移到了德國，這一變化是由多種因素造成的，一方面，英國的窗戶稅和玻璃生產稅使得許多家庭和玻璃製造商受到了負擔，結果是一段時間內只有最富有的人能購買重晶體玻璃並建造溫室，最終導致玻璃製造業的衰落。

與此同時，在普魯士政府爲初創的玻璃行業提供財政支持並保證訂單，這是一種十九世紀的工業策略，並且竟然是由詩人歌德領導的。此外，德國的化學和製藥業也在做類似於玻璃業：企業引入更加嚴格科技與標準，轉變那些曾經的手工業。

在1915年的“饑荒”和那場秘密的玻璃-橡膠貿易之後，英國軍需部投入了大量資金和勞力到玻璃製造中。在幾個月內，英國科學家逆向工程了許多德國的玻璃產品，並在戰爭結束時能夠生產足夠的玻璃供應自己軍隊和一些盟友。

在二戰期間，英國的光學工廠再次面臨挑戰。納粹佔領了法國楓丹白露的沙石採石場，這是英國光學玻璃的主要原料來源。然而，英國官員發現了洛克阿琳的石英沙礦，這成爲了英國戰爭努力的一個關鍵組成部分，爲光學工廠提供了必要的原料。在今天西方提出所謂“關鍵礦物”概念的一百年前，洛克阿琳就已經是一個重要性的戰略要地，而今天和當時一樣，很少有人知道它的存在。

如今，洛克阿琳的石英沙礦仍然在運營，它不僅支持了本地經濟，還爲全球的技術和環保努力提供了重要的資源。這裡的沙子一部分被運往被運往挪威，用於製造碳化硅逆變器，助力電動車跑得更遠，充電更快，耗電更少。當然，大部分沙子被送往皮爾金頓，在那裡被熔化並浮在一層熔融錫上，成爲薄而完美平坦的顯示器面板。

（五）用“玻璃”連接世界

1934年，美國化學家海德（James Franklin Hyde）在紐約州北部的科寧實驗室，首次通過化學方法合成了幾乎完美的純矽砂玻璃。這種石英玻璃的純淨度超過了自然界中“最純的”利比亞沙漠玻璃。這一發明在此後極大地促進了光學領域的革新，但在當時，科寧的研究人員最初並未意識到其潛在的巨大價值。

直到上世紀60年代，在倫敦郊區的標準電信實驗室（STL），查爾斯·高（Charles Kao）發現了光纖通信的潛力。他通過使用海德發明的超純熔融石英玻璃生產了光纖，其本質上就是兩層玻璃構成的長線，內層傳輸信息，外層保持光線反射在纖維內。他證明了光纖傳輸數公里都幾乎不損失數據，並開啓了光纖時代，極大地改變了遠距離通信方式。此前信息主要通過銅線傳輸，但傳輸能力和速度相當有限。

查爾斯·高在2009年獲得諾貝爾物理學獎，並被英國女王封爲爵士。光纖技術的發展，以及對玻璃特性的深入理解，對現代通信產生了革命性影響。幾乎所有現代通信都通過光纖進行，包括互聯網、電話和電視等。儘管在日常生活中不易察覺，但光纖網絡連接了全球，成爲現代社會運作的基礎設施。

很少有物質像我們用來構建周圍世界的沙子這樣默默無聞。它們是現代生活的基礎，但我們對它們卻如此熟視無睹，不知道它們有多重要。

▍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”象徵着愚蠢。隨着技術的發展，在沙地上搞房地產也並非不可能，關鍵在於選擇合適的沙子。錯誤的沙子，如圓潤的沙漠沙或在雨季變得不穩定的沖積沙，確實不適合建造。如今，通過採用恰當的基礎或技術，沙地上上也能建造穩固的結構。迪拜的哈利法塔和棕櫚島朱美拉就是典型案例。

不過，即使是最好的壓實技術也不能將沙漠沙子變成新的陸地。從它們完成的那一刻起，這些人造島嶼就在與自然界的持續戰鬥中，與侵蝕它們並慢慢沖走沙子的潮汐系統作鬥爭。

填海造陸創造了另一種“沙上建築”。荷蘭自14世紀以來就有類似行爲，而這股風潮隨着現代化也開始席捲亞洲。自19世紀以來，東京向海洋新增了25000公頃土地，中國也在擴展其沿海城市。如今，國家領海的基於海岸線，使得填海造陸也就成爲21世紀外交的新前沿，影響漁業、資源開採及軍事佈局。此外，隨着氣候變化和海平面上升，對防洪沙的需求正在加速，而馬爾代夫和新加坡計劃通過填海應對這一挑戰，並導致新加坡成爲最大的沙子進口國。

（一）人類“淘沙熱”

儘管我們習慣將沙子視爲無盡的普通資源，但實際上，並非所有沙子都相同。這就解釋了爲什麼沙漠國家如迪拜會從比利時、荷蘭甚至英國進口沙子——因爲某些特定類型的沙子對於工業和建築更爲重要。相較之下，我們對沙子的開採幾乎沒有什麼規範和監控，這使得評估人類歷史上挖掘和移動的沙子總量變得異常困難。

研究顯示，人類每年的開採量是自然侵蝕過程年移動量的24倍，這突顯了自1955年以來人類成爲地球上一股強大的地質力量。如此大規模的開採活動不僅改變了地球表面，還在某種程度上，定義了一個全新的地質時代——人類世。我們在過去一個世紀中挖掘的物質總量高達6.7太噸，這一數字幾乎難以想象。

沙子的來源變得日益重要。因爲沙子不僅是建築材料，也在自然生態系統中扮演着關鍵角色，如支持河岸植物生長、形成天然屏障以及作爲生物棲息地等。然而，在許多非發達國家，沙子的開採往往不受監管，之後被運往歐洲和加那利羣島，用於建設發達國家的建築和旅遊沙灘。

在亞洲和非洲的某些地區，對於建築用沙的巨大需求導致了對這些自然資源的過度開採。這一點在湄公河三角洲尤爲明顯。河岸已不復存在，取而代之的是沙子被挖走後形成的陡峭落水處，每年有大約兩平方英里的土地正在喪失。在印度，"沙子黑手黨"已成爲腐敗網絡的代表，涉及從從河牀和海灘挖掘沙子的人，到將這些沙子運往建築工地的供應鏈，再到房地產開發商、警察，甚至是傳聞中的一些政治家。對此，聯合國環境規劃署甚至將沙子列爲一種戰略礦物，強調了其對於維持現代社會基礎設施和經濟發展的重要性。

（二）混凝土：最被低估的原材料

如果要改善發展中國家低收入家庭的生活，你會選擇提供現金、營養補給品還是一袋水泥？答案或許出人意料：是水泥。墨西哥的一個實例證明了這一點，該國提供水泥給貧困家庭鋪設地板，結果寄生蟲感染率下降了78%，兒童腹瀉和貧血的情況也顯著減少，學校表現和母親的幸福感也有所提高。此外，將泥土道路替換爲混凝土路面，可以顯著提高附近居民的工資，並增加兒童入學率。

我們常常低估了建築世界的重要性。在所有建築材料中，沒有哪種像水泥那樣迅速地產生了巨大影響。與磚石建築相比，混凝土的使用大大簡化了建築過程。你只需將混凝土澆入模具中，原本需要數日或數週的工作現在只需幾小時即可完成。

混凝土的奇妙之處還在於它的複雜性和不斷變化的特性。即便是城市中那些單調的、看似無生命的混凝土建築，其內部的化學反應仍在進行，混凝土仍在繼續硬化和反應。即使是像胡佛大壩這樣的巨型建築，多年後也仍在逐漸變得更加堅固。

需要澄清的是，混凝土和水泥並不完全相同。水泥是混凝土的粘合劑，是一種將石灰石或白堊與粘土、沙子和其他添加劑（如氧化鐵）煅燒和粉碎後得到的粉末。加水後，水泥中的鈣和硅與水反應，形成一種灰色的凝膠，其中充滿了無數的微觀石質觸鬚。這些觸鬚，或者說是硅酸鈣水合物的晶體，相互交錯和擴展，鎖住水分，形成了一種骨架般的石質結構。在混合物中加入礫石和沙子，這些觸鬚不僅自我結合，還會圍繞石子和沙子，創造出混凝土——一種可以傾倒的岩石。

（三）混凝土的另一面

儘管人類僅在一個多世紀前纔開始大規模生產這種由沙子、骨料和水泥混合而成的材料，但現在地球上人均擁有超過80噸的混凝土。這一數字遠超地球上所有生物的總重量：每頭牛、每棵樹、每個人以及所有植物、動物、細菌和單細胞生物。我們每年生產的混凝土足以覆蓋整個英格蘭的陸地面積。

以天津爲例，這個擁有1500萬人口的超級城市，從海岸線一直延伸到北京附近。2014年，天津被譽爲“世界高樓之都”，同年，中國的水泥生產速度呈現出指數級增長。近年來，天津的建築熱潮消退，曾經的經濟增長亮點變成了疲軟環節。中國政府在2020年限制新建摩天大樓的數量和高度，並在2021年開始拆除許多未完成的大樓。

雖然混凝土配方容易正確，但錯誤的情況也時有發生。2010年海地地震造成的大量破壞部分歸因於劣質建築。美國近十分之一的橋樑結構缺陷，英國情況可能更糟，幾乎一半的高速公路或A級道路橋樑存在缺陷。“鋼筋混凝土”可以支持更加大膽的建築和橋樑的建設，但配方錯誤時會導致更多的災難。例如，2021年邁阿密北部一座公寓樓坍塌，調查員指出裂縫的混凝土和腐蝕的鋼筋是可能的罪魁禍首。

（四）氣候變化下的混凝土產業變革

水泥生產是全球最大的碳排放源之一，佔全球碳排放的7-8%，超過航空業和森林砍伐的總和。水泥的生產分爲兩個主要環節：化學反應和高溫加熱。目前，通過使用替代燃料加熱窯爐和添加其他物質來減少水泥熟料，已在發達經濟體如英國和美國實現了超過50%的碳排放減少。然而，化學反應環節的碳排放難以根除，目前的解決方案包括稀釋熟料和碳捕獲及封存技術，但這些方法成本高昂，尚未廣泛應用。

在一些國家，碳排放問題進一步加劇了製造水泥所需材料的短缺。儘管石灰石總量豐富，但許多國家開始不願簽署新的採礦/採石許可證。沒有了石灰石，就沒有了水泥的核心粘合劑。在 2021年，瑞典面臨着混凝土突然短缺的問題，因爲最高土地和環境法院決定拒絕給該國最大的水泥生產商 Cementa 在 Gotland 島頒發一個新的石灰石採礦許可證。

此外，混凝土生產也非常依賴於供應充足、持續的水源來進行化學反應。我們對混凝土的巨大需求是如此之大，以至於僅混凝土的使用就佔據了世界工業用水的大約十分之一。與之相對應的是，目前世界上大部分新鮮的混凝土都是在乾旱和水資源不足的國家澆築的。

儘管存在替代水泥的技術，如鹼激活水泥，但其長期耐久性仍存在疑問。儘管面臨挑戰，但還是有新技術和材料被開發出來以減少水泥的環境影響，比如基於麻的混凝土和添加了石墨烯的“Concretene”，這些新型混凝土承諾更強更環保。還有自癒合混凝土和自清潔混凝土等創新產品正在研究中。

一個令人興奮的發展方向是開發能夠吸收二氧化碳的負碳混凝土。例如，Solidia公司開發的水泥，能夠在每1000kg水泥中吸收多達240kg的二氧化碳。然而，這種水泥需要在富含CO2的環境中固化，這對於大部分建築現場是一個挑戰。

雖然存在許多挑戰，但全球正處於一個新的競賽中，旨在重新發明無碳排放的混凝土。有希望的是，超過50%的新型混凝土專利由中國公司和學術機構申請，預示着未來的突破可能來自中國。然而，即使解決了碳排放問題，混凝土的生產仍然需要消耗大量的水、石灰石和沙子，這些都是有限的資源，其開採和使用還將對生態系統持續構成威脅。

▍沙子的“史詩”旅程

在自然界和材料世界中，存在着許多令人驚歎的旅程，而硅的故事或許是最精彩的之一。

硅的旅程始於地下岩石，經過億萬年的地質運動和侵蝕，最終成爲沙粒。這些沙粒在水流和風的作用下不斷旋轉、壓實，再被冰川磨損，形成一個完整的循環過程。大約一半的石英沙粒經歷了六次這樣的循環，從岩石到沙子再到岩石。

但硅並不會止步於此。它被開採出來，經過多道工序加工成晶體管，最終被裝入芯片。這一過程涉及全球多個地區，包括設計、加工、組裝等環節。1947年的第一個半導體裝置有小孩的手那麼大，其中的晶體管約有一釐米；今天的晶體管已達到納米級別，甚至小於可見光波長。每個晶體管都代表着二進制代碼的一個“開關”，使手機、電腦、汽車、家電等各類設備能進行各種計算和操作。

以智能手機爲例，幾乎所有的物理組件都不再由品牌公司製造的；蘋果等公司只是其他人制造的技術的一個非常出色的重新包裝者。即使是印有蘋果商標的芯片，實際上是也由臺積電代工。這家公司則得到了荷蘭的ASML的光刻機，而該機器的核心部件又由其他公司製造，一些我們已經熟悉（透鏡來自蔡司，玻璃來自肖特），另一些則不是那麼熟悉（激光器來自德國公司特魯姆夫）。

上述環節只涵蓋了硅原子進入智能手機前的最後幾步。若要刨根問底，我們必須從硅首次被提取的那一刻開始。這個起點顯然不是一塵不染的工廠，而是處在塵土、煙霧和火焰當中。

（一）西班牙：硅基芯片的源頭

在距離西班牙聖地亞哥-德孔波斯特拉（Santiago de Compostela）大約15英里的加利西亞森林深處，一條塵土飛揚的石頭小道引領我們走向硅基芯片生產的起點。這裡是每年吸引超過25萬名世界各地朝聖者的著名地點，以其鬱鬱蔥蔥的綠色山丘、點綴其間的中世紀修道院和美麗的石頭村莊而聞名。薩克羅峰（Pico Sacro）以其獨特的金字塔形態高聳於肥沃田野之上，成爲了當地衆多傳說的源泉。

據地質學解釋，約3.5億年前，兩大超大陸的碰撞推高了這片土地，形成了石英岩體的天然雕塑。在薩克羅峰的山腳下還隱藏着一個巨大的奧秘——Serrabal石英礦，這裡的石英因其純淨而聞名世界。這些石英不僅用於裝飾性花園和高爾夫球場，更重要的是，它們是先進硅基芯片的原材料。

擁有這座礦山的公司是Ferroglobe，一家西班牙企業，是中國以外世界最大的硅金屬生產商。如今，全球硅材料絕大多數在中國開採和精煉，但Ferroglobe還在美國、加拿大和南非擁有石英礦，是少數例外之一。儘管Serrabal礦區的石英純度並非最高，但在製造硅金屬的過程中，更爲關鍵的是石英的形狀和大小，需要的是拳頭大小的石英塊而非細小的沙粒。

這些石英塊被運往北部科魯尼亞港外的Sabón工廠，那裡的巨型爐子在高達1800°C的溫度下將石英與焦炭和木屑混合加熱。通過複雜的化學反應和強電場作用，熔化的硅金屬從混合物中分離出來。整個過程能耗巨大，對環境的影響不容忽視：每個爐子需要的電力（約45兆瓦）足以供應一個小鎮，而這一過程不可避免地會產生二氧化碳排放。

儘管製造過程中產生的碳排放往往被忽視，但從石英到硅金屬的轉化仍然是技術革命不可或缺的一部分。在Sabón工廠，從爐子中倒出並凝固的硅金屬被打碎成顆粒狀，這時的硅純度約爲98至99%。雖然這一純度對大多數應用已經足夠，但對於硅基芯片或太陽能面板等高科技產品而言，這還只是一個起點。

（二）多晶硅：比“最純”還要“更純”

接下來的旅程，我們的目的地是一個大多數人未曾聽聞的公司，這裡將Ferroglobe的冶金級硅轉化爲更高純度的多晶硅。這家名爲瓦克（Wacker）的德國公司是中國以外最大的多晶硅生產商。它的主要工廠位於慕尼黑東南約一個半小時的地方，靠近奧地利邊境的布爾格豪森。

這個小鎮以擁有世界最長的城堡而自豪，歷史上，布爾格豪森是奧地利和德國之間古老鹽路的主要樞紐之一，鹽貿易雖已消失，但它依然是德國較富裕的城鎮之一，現在成爲化工產業的中心。

布爾格豪森的化工廠規模巨大，佔地面積幾乎與小鎮本身相當。這裡不僅有發電站、煉油廠，還有無數煙囪、化工倉庫和棚戶區。工廠還有一個足球俱樂部，參加巴伐利亞聯賽。多晶硅的生產過程稱爲“西門子法”，它涉及將純硅金屬粉末與純氫氯化物混合、蒸餾並在1150°C的環境下加熱。最終得到的是類似舊式水壺加熱元件的長杆，只不過這裡的材料是超純硅。

這一過程是能源密集型的。環境科學家斯米爾（Vaclav Smil）稱，生產如此高純度的硅所需能量是水泥的3000倍，是將鐵轉化爲鋼的1000倍。儘管數量可能較小，但這是一個要求嚴格、成本高昂且經常污染環境的過程。最終產品是極高純度的硅——幾乎是地球上最純淨的物質之一，稱爲多晶硅。根據蒸餾的徹底程度，可以獲得不同純度等級的多晶硅，用“九”的數量來命名。

多晶硅的絕大多數用於太陽能電池板，大部分在中國製造。值得注意的是，中國尚未掌握硅片製造的“最高境界”——半導體級多晶硅的技術。這種多晶硅的純度可以達到十個九（99.99999999%），即每10億個硅原子中就有一個雜質原子。

經過從岩石中爆破提取、在高溫爐中熔化、粉碎、溶解、高溫蒸餾和分解，我們的硅還沒準備好成爲硅基芯片。當前，旅程纔剛剛過半。

（三）“世界上最純的材料”

在硅的純化過程中，往往需要追求極致的純度。在半導體制造領域，尤其是與硅材料有關時，硅基體中的一個外來原子就足以顯著阻礙晶體管內電子的流動。這種對細節的敏感性與像水泥這樣的材料形成鮮明對比，後者對於輕微偏離其理想組成表現出一定的容忍度。

此外，硅自身的原子結構也極爲重要。一個無瑕的原子結構允許電子平滑且自由地移動，提高了半導體的功能性。相反，所謂的“晶界”造成的不完美之處，可以中斷電子流，導致潛在的失敗。這種差異可以視爲盒子裡整齊排列的雞蛋與雜亂無章的排列方式的區別。

接下來，讓我們把硅帶到了地球另一端，繼續“提純之旅”。在美國俄勒岡州波特蘭附近信越公司（Shin-Etsu）的工廠，由哥倫比亞河提供的水電驅動，該材料將經歷了Czochralski過程（或簡稱CZ）等一系列轉化：將多晶硅熔化在石英坩堝中，並小心地拉出一個晶體，這個晶體形成了硅片的基礎。這個過程類似於在棒子上拉棉花糖，儘管在一個充滿氬氣的高度控制環境中進行，結果是一個結構完美的硅錠。這個錠接着被切割成薄片，經過進一步加工成爲用於半導體制造的平坦、無瑕的硅片。

歷史上，硅片的生產既是一門藝術也是一門科學，技術人員手動控制晶體的生長。隨着時間的推移，像日本信越這樣的公司在自動化、高度控制的製造過程中領先行業。雖然全球硅產量的格局主要由中國主導，但在半導體級硅片的製造領域，信越等公司依然保持着技術領先地位。這些過程的保密程度非常高，這是由涉及的高價值知識產權和它提供的競爭優勢所驅動的。

在上述製造過程中的一個關鍵組成部分是用於熔化硅的高純度石英坩堝，其生產材料來自美國北卡羅來納州的斯普魯斯派恩（Spruce Pine）小鎮。長期以來，全球對這種高純度石英的供應幾乎完全依賴於此地的一個名爲西貝爾科（Sibelco）的比利時公司。西貝爾科以極高的保密性著稱，對其礦場和加工設施的訪問控制極爲嚴格。

如今，斯普魯斯派恩有兩個礦場。除了西貝爾科外，還有另一個較小的運營商：Quartz Corp，它將開採的石頭運往挪威加工。它們被清洗、粉碎、磨碎、通過磁力分離並在化學品中沖洗，最終成爲一種特殊類型的沙子，足夠純淨以容納那被拉昇成硅晶圓的熔融硅。

斯普魯斯派恩的石英通過複雜的加工過程轉化爲能夠容納熔融硅的高純度石英沙，這是製造硅晶圓不可或缺的原料。儘管全球有數家公司試圖尋找替代來源，但迄今爲止，沒有任何石英能夠匹敵這裡的石英純度。這種對一個地理位置的極端依賴引發了對供應鏈可能中斷的擔憂。例如，如果斯普魯斯派恩的礦場因自然災害而停產，或者通過特定手段破壞這些礦場的加工能力，可以在短時間內停止全球半導體和太陽能板的生產。

（四）探訪臺積電：從硅片到芯片

一塊起源於加利西亞山脈的硅片j，經歷了從固態到液態，再到蒸汽，最終再次固化的轉變，將在臺南郊外開始它的新篇章。這裡雖遠離城市喧囂，卻是現代工業的心臟地帶。臺積電在此的世界級工廠Fab 18，象徵着全球最先進的製造能力。

臺積電是一個通道，將蘋果和特斯拉等科技巨頭，以及如英偉達和高通這樣的“無工廠”芯片商的願景轉化爲有形的處理器。該公司曾在三年內投資1350億美元，相當於十艘美國福特級航空母艦的成本。以位於臺灣農業腹地的Fab 18工廠標杆項目爲例，其包括六個相互連接的建築組成的複雜體，預計支出170億美元，超過了英吉利海峽隧道的成本。

複雜的光滑外觀掩蓋了其內部的關鍵操作：廣闊的空間不是用於人類活動，而是用於維護地球上最乾淨環境之一的先進過濾和空調系統。在無塵車間的下方是“迷宮”一樣的子車間，其中關鍵的化學混合物不斷地在設施中脈動。該工業奇蹟的基礎是一個先進的阻尼系統，將結構與該地區特有的地震活動隔離開來，確保微妙的製造過程保持不受干擾。製造廠的核心由一系列機器主導，每臺機器都在硅片上執行精確的任務。這裡的自動化程度極高，人類的存在被最小化以防止污染。

在這裡還有全球最先進的極紫外（EUV）光刻機，能夠在納米級別上完成刻畫設計。光刻機設備的反射活動需要藉助特別製造的鏡子，這些布拉格反射器則由蔡司生產。

（五）半導體的全球旅程也屬於其他製造業

即使是行業內部的人士，也很少有人理解上述旅程的長度和複雜性。媒體經常報道蘋果、富士康、臺積甚至ASML，但這只是冰山一角。

還有其他數百家公司，他們就像不起眼的沙子，共同組成了龐雜的半導體供應鏈：例如林頓晶體（Linton Crystal），它製造了CZ過程所需的爐子和切割硅錠的金剛石鋸；日本JSR是光刻膠技術的世界領導者之一；還有奧地利的EV Group和IMS Nanofabrication，它們在晶圓鍵合和掩模生產方面佔據主導地位。還有爲各種工廠提供關鍵機器的其他公司，它們聽起來像是一串神秘的名字和縮寫：Veeco、東京電子、Lam Research、ASM Pacific、應用材料和Edwards……僅僅去掉其中的一兩家公司，或許也就不會再有計算機或智能手機了。

當前，一些國家正高調地談論“製造業迴流”甚至是“自給自足”，這在半導體領域或許難以行得通。臺積電的Fab 18可能是世界上最先進的芯片製造地，但芯片設計主要發生在美國，並且依賴總部位於英國劍橋的ARM的知識產權。沒有來自荷蘭和日本的機械工具，沒有來自德國的化學品以及來自一系列其他國家的零件和碎片，臺積電同樣無法運作。當政客們想當然地要“關起門來自己搞”時，這通常暴露了他們對材料世界的深刻無知。

我們身邊的建築、家中的電器，以及田野上太陽能板，它們在與我們正式見面前都經歷了半導體類似的旅程。這也提醒我們，在國際經濟關係無比複雜的21世紀，我們或許應對各種原材料和產業鏈保有更多敬畏。

本文爲文化縱橫新媒體原創編譯系列“關鍵產業與關鍵資源之變”之六，摘譯自Ed Conway著《材料世界：塑造現代文明的六大原材料》（Material World: The Six Raw Materials That Shape Modern Civilization，Published in 2023 by Knopf）。文章僅代表作者觀點，供讀者參考。