那是一個(gè)陰冷的星期天早晨，在北卡羅來(lái)納州的Spruce Pine地區(qū)，亞歷克斯·格洛弗（Alex Glover）坐在麥當(dāng)勞前的塑料長(zhǎng)凳上。他翻遍了背包，然后拿出一個(gè)裝滿白色粉末的塑料三明治袋。“希望我們不會(huì)被捕，”他說(shuō)。“有人可能會(huì)對(duì)我手上的東西產(chǎn)生誤解。”
格洛弗是一位地質(zhì)學(xué)家，剛剛退休，他花了幾十年的時(shí)間在這個(gè)小鎮(zhèn)周圍的阿巴拉契亞山脈的山坡和山谷中尋找有價(jià)值的礦產(chǎn)資源。他身材矮小，圓圓的，戴著小橢圓形眼鏡，留著整齊的白色小胡子，和頭發(fā)呼應(yīng)著。他頭上戴著一頂吉普棒球帽。他說(shuō)話慢吞吞的，語(yǔ)調(diào)強(qiáng)度中等。他喜歡強(qiáng)調(diào)第一個(gè)音節(jié)，并拉長(zhǎng)了一些元音。我們一邊喝著咖啡，一邊聽他解釋為什么這個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)會(huì)對(duì)世界產(chǎn)生非常重要的影響。
Spruce Pine地區(qū)并不富裕，它的中心是一個(gè)夢(mèng)游者火車站，街對(duì)面是兩棟兩層的磚砌建筑，里面是一個(gè)長(zhǎng)期關(guān)閉的電影院和幾家空置的店面。
然而，Spruce Pine地區(qū)周圍樹木繁茂的群山中蘊(yùn)藏著各種各樣令人向往的巖石，有些因其工業(yè)用途而受到人們重視，有些則因其純粹的美麗備受喜歡。格洛弗塑料袋里的礦物質(zhì)正是它——像白雪一樣純白的顆粒，像糖粉一樣柔軟。這種物質(zhì)是目前最重要的。它是石英的，但不是普通的石英。
事實(shí)證明，Spruce Pine地區(qū)擁有最純凈的天然石英石——一種地球上從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的原始沙土。這種超精礦的二氧化硅顆粒在制造用于計(jì)算機(jī)芯片的硅方面起著關(guān)鍵作用。事實(shí)上，你的筆記本電腦或手機(jī)能很好地運(yùn)行取決于芯片，而這些芯片很有可能是用阿巴拉契亞偏遠(yuǎn)地區(qū)的沙土制成的。“這是一個(gè)價(jià)值10億美元的產(chǎn)業(yè)，”格洛弗大笑著說(shuō)。“開車從這兒經(jīng)過(guò)是看不出來(lái)的。你永遠(yuǎn)也不會(huì)知道。”
在21世紀(jì)，沙石變得比以往任何時(shí)候都更重要，而且這一點(diǎn)在很多方面都能體現(xiàn)出來(lái)。這是一個(gè)數(shù)字時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代里，我們從事的工作、我們用來(lái)消遣的娛樂工具以及我們相互交流的方式越來(lái)越多地由互聯(lián)網(wǎng)定義，也由將我們與網(wǎng)絡(luò)相連的電腦、平板電腦和手機(jī)所定義。如果沒有這些沙石，這一切都不可能發(fā)生。
世界上大多數(shù)的沙粒是由石英組成的，石英是二氧化硅的一種形式，也被稱為硅石。高純二氧化硅顆粒是我們制造計(jì)算機(jī)芯片、光纖電纜和其他高科技硬件（虛擬世界運(yùn)行的物理部件）的基本原料。與用于混凝土或土地復(fù)墾的石英石山相比，用于這些產(chǎn)品的石英石的數(shù)量微不足道，但其影響是不可估量的。
Spruce Pine地區(qū)的礦物寶藏是該地區(qū)獨(dú)特地質(zhì)歷史的結(jié)果。大約3.8億年前，該地區(qū)位于赤道以南。板塊構(gòu)造把非洲大陸推向了美洲東部，迫使較重的海洋外殼——海洋水下的地質(zhì)層——移動(dòng)到了較輕的北美大陸之下。巨大的摩擦產(chǎn)生了高達(dá)2000華氏度的熱量，融化了地表以下9到15英里的巖石。熔融巖石受到的壓力迫使其大量進(jìn)入周圍宿主巖石的裂縫和裂縫中，在那里形成了被稱為偉晶巖的沉積物。
深埋的熔融巖石花了大約1億年的時(shí)間冷卻、結(jié)晶。由于埋在地下的深度足夠加上缺水，偉晶巖形成后幾乎沒有任何雜質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，偉晶巖大約有65%的長(zhǎng)石、25%的石英、8%的云母以及其他礦物的痕跡。同時(shí)，在大約3億年的時(shí)間里，阿巴拉契亞山脈下的板塊向上移動(dòng)。天氣等自然現(xiàn)象侵蝕了裸露的巖石，最后剩下偉晶巖的堅(jiān)硬巖層留在地表附近。
▲尤尼明（Unimin）在北卡羅萊納的石英工廠提供了世界上大部分的高純度和超高純度石英
美洲原住民開采出閃閃發(fā)光的云母，將其用作墳?zāi)寡b飾和貨幣。19世紀(jì)，美國(guó)殖民者開始慢慢地進(jìn)入山區(qū)，以務(wù)農(nóng)為生。一些勘探者試圖涉足云母行業(yè)，但由于山區(qū)地形陡峭，他們?cè)庥隽酥刂乩щy。
1903年，該地區(qū)的前景開始有所改善。當(dāng)時(shí)，鐵路公司正在修建一條從肯塔基到南卡羅來(lái)納的鐵路線。他們?cè)谏缴祥_辟了一條鐵路，這是一條蜿蜒曲折的神奇路線，蜿蜒20英里，僅上升了1000英尺。這條通往外部世界的大路一經(jīng)開放，采礦業(yè)開始復(fù)蘇。當(dāng)?shù)厝撕涂碧秸咴诤髞?lái)被稱為Spruce Pine礦區(qū)的山區(qū)挖了數(shù)百個(gè)豎井和露天礦井。這個(gè)礦區(qū)長(zhǎng)25英里，寬10英里，綿延三個(gè)縣。
云母之前被用于木材和煤炭燃燒爐窗和電氣絕緣真空管電子，受到人們的重視?，F(xiàn)在它主要用作化妝品特別添加劑、密封劑和石膏板接縫化合物等。在第二次世界大戰(zhàn)期間，市場(chǎng)對(duì)云母和長(zhǎng)石的需求激增，在該地區(qū)的偉晶巖中發(fā)現(xiàn)了大量的云母和長(zhǎng)石。Spruce Pine開始繁榮起來(lái)。這個(gè)小鎮(zhèn)的規(guī)模在20世紀(jì)40年代擴(kuò)大了四倍。在鼎盛時(shí)期，Spruce Pine擁有三個(gè)電影院、兩個(gè)游泳池、一個(gè)保齡球館和許多餐館。每天還有三列客運(yùn)火車通過(guò)。
到本世紀(jì)末，田納西河谷管理局（TVA）派遣了一組科學(xué)家前往Spruce Pine，負(fù)責(zé)進(jìn)一步開發(fā)該地區(qū)的礦產(chǎn)資源。他們把注意力集中在能掙錢的云母和長(zhǎng)石上，想把這些礦物從其他礦物中分離出來(lái)。一塊典型的Spruce Pine偉晶巖看起來(lái)就像一塊奇怪但很誘人的硬糖：大部分是乳白色或粉色的長(zhǎng)石，鑲嵌著閃亮的云母，還有清澈或煙狀的石英，以及一些深紅色的石榴石和其他顏色的礦物質(zhì)。
多年來(lái)，當(dāng)?shù)厝酥皇呛?jiǎn)單地把偉晶巖挖出來(lái)，用手工工具或粗糙的機(jī)器碾碎，然后用手將長(zhǎng)石和云母分開。剩下的石英被認(rèn)為是垃圾，好一點(diǎn)的用作建筑砂，大部分都與其他尾礦一起被丟棄。
TVA的科學(xué)家與位于阿什維爾附近的北卡羅來(lái)納州立大學(xué)礦物研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，開發(fā)了一種更快、更有效的分離礦物的方法，叫做泡沫浮選法。“這種方法徹底改變了這個(gè)行業(yè)，”格洛弗說(shuō)。“它使這個(gè)行業(yè)從一個(gè)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為一個(gè)大型跨國(guó)公司產(chǎn)業(yè)。”
泡沫浮選法是將巖石倒入機(jī)械破碎機(jī)，直到它們被分解成一堆混合礦物顆粒。你把混合物倒進(jìn)罐子里，加水使其變成乳白色的漿液，攪拌均勻。接下來(lái)，加入與云母顆粒結(jié)合的化學(xué)物質(zhì)，使其疏水。疏水是指它們不想接觸水?，F(xiàn)在用管子把氣泡從漿液中抽出來(lái)。由于疏水性，云母顆粒會(huì)瘋狂地抓住氣泡，并被帶到水箱頂部，在水面形成泡沫。一個(gè)槳輪從泡沫上滑下來(lái)，把它分流到另一個(gè)水箱里，水箱里的水被排出。云母被成功分離出來(lái)了。
剩下的長(zhǎng)石、石英和鐵從水箱底部排出，并通過(guò)一系列的槽流入下一個(gè)水箱，在那里進(jìn)行類似的過(guò)程讓鐵浮起來(lái)。再重復(fù)這個(gè)過(guò)程讓長(zhǎng)石分離出來(lái)。
長(zhǎng)石現(xiàn)在主要用于玻璃制造。首先把工程師從康寧玻璃公司吸引到該地區(qū)的正是長(zhǎng)石。當(dāng)時(shí)，人們認(rèn)為石英砂是無(wú)用的產(chǎn)物。但一直在尋找質(zhì)量材料的康寧工程師注意到石英的純度，開始購(gòu)買它，并把它通過(guò)鐵路向北運(yùn)送到康寧在紐約伊薩卡島的工廠。到了工廠，石英就被生產(chǎn)成了從窗戶到瓶子等等各種玻璃制品。
20世紀(jì)30年代，Spruce Pine石英在玻璃領(lǐng)域取得了一次偉大的成就。當(dāng)時(shí)康寧公司贏得了一份合同，為世界上最大的望遠(yuǎn)鏡制造鏡子，該望遠(yuǎn)鏡是由南加州的帕洛瑪天文臺(tái)訂購(gòu)的。制作這面200英寸、20噸重的鏡子需要在一個(gè)加熱到2700華氏度的巨大熔爐中熔化一座座石英山。
一旦爐子溫度足夠高，“三個(gè)晝夜不停工作的人就開始通過(guò)一端的一扇門在沙子和化學(xué)品中敲打。原料慢慢融化，每天只能添加4噸。慢慢地，爐底開始出現(xiàn)一個(gè)火辣辣的水池，慢慢地上升，形成50英尺長(zhǎng)、15英尺寬的熾熱的湖。”該望遠(yuǎn)鏡于1947年安裝在天文臺(tái)。它的威力空前，促成了關(guān)于恒星組成和宇宙本身大小的重大發(fā)現(xiàn)。至今仍在使用。
盡管這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡很重要，但隨著數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，Spruce Pine石英很快就扮演了更為重要的角色。
20世紀(jì)50年代中期，在距離北卡羅來(lái)納州數(shù)千英里的加利福尼亞，一群工程師開始研究一項(xiàng)發(fā)明，這項(xiàng)發(fā)明后來(lái)成為了計(jì)算機(jī)工業(yè)的基礎(chǔ)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的開創(chuàng)性工程師威廉·肖克利（William Shockley）曾參與發(fā)明晶體管。他在加利福尼亞州山景城成立了自己的公司。山景城位于舊金山以南約一個(gè)小時(shí)車程的地方，離他長(zhǎng)大的地方很近。斯坦福大學(xué)就在附近，通用電氣和IBM在該地區(qū)都有工廠，還有一家叫惠普的新公司。當(dāng)時(shí)，被人們稱為圣克拉拉谷的地方仍主要生產(chǎn)杏、梨和梅子。不久之后，它就獲得了新綽號(hào)——硅谷。
當(dāng)時(shí)，晶體管市場(chǎng)正在迅速升溫。德州儀器、摩托羅拉和其他公司都在競(jìng)相開發(fā)更小、更高效的晶體管，用于其他產(chǎn)品和電腦。第一臺(tái)美國(guó)計(jì)算機(jī)ENIAC是在第二次世界大戰(zhàn)期間由軍隊(duì)開發(fā)出來(lái)的，它長(zhǎng)100英尺，高10英尺，在18000個(gè)真空管上運(yùn)行。
晶體管是一種微小的電子開關(guān)，可以控制電流的流動(dòng)。它提供了一種方法可以取代這些管，使新機(jī)器功能更強(qiáng)大的同時(shí)面積反而縮小了。半導(dǎo)體——包括鍺和硅在內(nèi)的一類小元素，可以在一定溫度下導(dǎo)電，而在其他溫度下則會(huì)阻擋電流。半導(dǎo)體看起來(lái)像是可以制造晶體管的可行材料。
在肖克利的創(chuàng)業(yè)公司，每天早上都有一群年輕的博士把窯爐燒制到數(shù)千度，然后開始熔化鍺和硅。湯姆·沃爾夫（Tom Wolfe）曾在《時(shí)尚先生》雜志上描述這一幕：“他們穿著白大褂，戴著護(hù)目鏡和工作手套。當(dāng)他們打開窯門時(shí)，奇怪的橙色和白色的光劃過(guò)他們的臉……他們將一個(gè)小的機(jī)械柱放入粘稠物中，這樣就在柱的底部形成了晶體。然后，他們把晶體取出，試圖用鑷子把它夾住放在顯微鏡下，用鉆石刀把它切成小片、晶圓片、芯片。在電子學(xué)中，這些微小的形式是沒有名字的。”
肖克利開始相信，硅這種材料未來(lái)一定會(huì)非常重要，所以他把自己的注意力轉(zhuǎn)移到了硅上。“因?yàn)樗呀?jīng)擁有了第一家，同時(shí)也是最著名的半導(dǎo)體研發(fā)和制造公司，因此，所有之前一直在研究鍺的公司都停下了手頭的工作，轉(zhuǎn)而選擇了硅作為研究對(duì)象，”喬爾·薛金（Joel Shurkin）在他關(guān)于肖克利的傳記《破碎的天才》中寫道。“的確，如果沒有他的決定，我們現(xiàn)在恐怕討論的就不是硅谷，而是鍺谷了。”
肖克利是個(gè)天才，但據(jù)說(shuō)他也是個(gè)差勁的老板。幾年后，他手下幾名最有才華的工程師跳槽，創(chuàng)辦了自己的公司，他們將這家公司命名為仙童半導(dǎo)體。其中一位創(chuàng)始人是就羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce），他是一才華橫溢的工程師，年僅25歲左右就已經(jīng)以擅長(zhǎng)晶體管方向而聞名。
1959年，諾伊斯和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以把幾個(gè)晶體管塞到一個(gè)指甲大小的高純硅薄片上。幾乎在同一時(shí)間，德州儀器公司開發(fā)了一種類似的鍺制造的小器具。然而，諾伊斯公司的效率更高，而且很快就主導(dǎo)了市場(chǎng)。NASA選擇了仙童公司的微芯片用于太空計(jì)劃，很快銷售額就增長(zhǎng)到每年1.3億美元。1968年，諾伊斯離開，創(chuàng)立了自己的公司——英特爾，并很快主導(dǎo)了新興的可編程計(jì)算機(jī)芯片行業(yè)。
英特爾在1971年發(fā)布的第一個(gè)商用芯片包含了2250個(gè)晶體管。今天的計(jì)算機(jī)芯片通常由幾十億個(gè)晶體管組成。那些微小的電子方塊和矩形是我們的電腦、互聯(lián)網(wǎng)和整個(gè)數(shù)字世界的大腦。谷歌、亞馬遜、蘋果、微軟以及支撐從五角大樓到當(dāng)?shù)劂y行的一切工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——所有這些以及更多的東西——都是基于用沙石重新打造出來(lái)的硅芯片。
制造這些芯片是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。雖然硅很多，但是人們需要的是純硅。問題是它從來(lái)不會(huì)以純?cè)氐男问阶匀话l(fā)生。分離硅需要大量的工作。
第一步是采用高純度的用于玻璃的硅砂。有時(shí)也用塊狀石英。然后，這些石英在一個(gè)強(qiáng)大的電爐中被炸開，形成一種化學(xué)反應(yīng)，將大部分氧氣分離出來(lái)。剩下的就是所謂的硅金屬，也就是99%的純硅。但對(duì)于高科技應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。太陽(yáng)能電池板用的硅必須是99.999999%的純度。電腦芯片的要求更高，它們的硅必須是99.99999999999999%的純度。多晶硅是一種極其純凈的硅，將成為太陽(yáng)能電池和電腦芯片的關(guān)鍵成分。
下一步是熔化多晶硅。你需要用一種材料制成的坩堝，這種材料既能承受熔化多晶硅所需的熱量，又有一種不會(huì)感染它的分子組成。那種物質(zhì)是純石英的。
這就是Spruce Pine石英的由來(lái)。它是世界上制造熔融石英坩堝所需原材料的主要來(lái)源。這種坩堝可以用于熔化計(jì)算機(jī)芯片級(jí)多晶硅。
美國(guó)尤尼明公司于20世紀(jì)90年代開始，對(duì)北卡羅來(lái)納州Spruce Pine地區(qū)的偉晶花崗巖開展了卓有成效的開發(fā)利用，已開發(fā)出IOTA-STD（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)）、IOTA-4、IOTA-6、IOTA-8等高純石英系列產(chǎn)品，幾乎壟斷了國(guó)際市場(chǎng)，并成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
如今，Unimin公司主導(dǎo)著Spruce Pine石英的生產(chǎn)。該公司在北卡羅來(lái)納州的石英業(yè)務(wù)供應(yīng)了世界上大部分的高純度和超高純度石英。近年來(lái)，另一家名為Quartz Corp的公司設(shè)法在石英市場(chǎng)上搶占了一小塊份額。
在他家里，格洛弗在顯微鏡下給我看了幾眼。從儀器的鏡頭（鏡頭本身是用一種不那么純凈的石英砂制成的）來(lái)看，這些鋸齒狀的小碎片像玻璃一樣清晰，像鉆石一樣明亮。
芯片制造商用一種叫做光刻的工藝在晶圓片上刻下晶體管的圖案。銅被植入連接數(shù)十億晶體管形成集成電路。然后晶圓片被切割成極其微小的四邊形芯片——電腦芯片、手機(jī)或筆記本電腦的大腦。整個(gè)過(guò)程需要數(shù)百個(gè)精確的、精心控制的步驟。這種芯片輕而易舉就成為了地球上最復(fù)雜的人造物體之一，但卻是用地球上最普通的東西制成的：簡(jiǎn)陋的沙子。
據(jù)估計(jì)，全世界每年生產(chǎn)的高純度石英的總量為3萬(wàn)噸，比美國(guó)每小時(shí)生產(chǎn)的建筑砂的總量還少。Unimin公司對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)非常敏感，絕不輕易透露?，F(xiàn)在，Unimin甚至不允許礦產(chǎn)研究實(shí)驗(yàn)室的工作人員進(jìn)入礦山或加工設(shè)施。承包商來(lái)做維修工作時(shí)必須簽署保密協(xié)議。出于同樣的原因，Unimin從多個(gè)供應(yīng)商購(gòu)買設(shè)備和零部件。格洛弗聽說(shuō)，承包商被蒙住眼睛進(jìn)入加工廠，直到他們到達(dá)自己工作的特定區(qū)域，還有一名員工因未經(jīng)授權(quán)而被當(dāng)場(chǎng)解雇。他說(shuō)，公司甚至不允許員工與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手交往。要驗(yàn)證格洛弗的故事是很困難的，因?yàn)槲腋緹o(wú)法通過(guò)任何方式與Unimin取得聯(lián)系。我曾經(jīng)嘗試過(guò)親自去往加工廠進(jìn)行調(diào)查，仍然以失敗告終。
在Spruce Pine地區(qū)，所有的財(cái)富都是從地里挖出來(lái)的，但沒有多少能留在那里。如今，這些礦山都?xì)w外國(guó)公司所有。他們高度自動(dòng)化，所以不需要很多工人。
米切爾縣的家庭收入中值略高于3.7萬(wàn)美元，遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平51,579美元。全縣15000人中的20%，幾乎都是白人，而且生活在貧困線以下。只有不到七分之一的成年人擁有大學(xué)學(xué)位。人但是們總能找到辦法勉強(qiáng)度日。格洛弗的副業(yè)是在他的家里種植圣誕樹。為數(shù)不多的新工作來(lái)源之一是該地區(qū)剛剛建立的幾個(gè)巨大的數(shù)據(jù)處理中心。受到廉價(jià)土地的吸引，谷歌、蘋果、微軟和其他科技公司都在距離Spruce Pine一小時(shí)車程的地方開辟了服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)。
來(lái)源：獵云網(wǎng)
