在紀錄片領域 BBC一直是打遍天下無敵手的存在 作為紀錄片王牌制作方 近期，BBC與FedEx聯合推出了神作Made on Earth系列 《The humble mineral that transformed the world》 作為零差評的重要一集 用嘆為觀止的精良畫面 為觀眾講述了半導體常用材料——硅的故事 半導體芯片在連接世界方面 已經比其它任何技術都強 芯片是如何到達我們生活的每個角落的？

遍布世界的“硅”

從永不休眠的城市到偏遠鄉村，一項技術正在改變我們的生活和工作方式。 從口袋里的智能手機到為互聯網“供電”的龐大數據中心，從電動踏板車到超音速飛機，從起搏器到天氣預報超級計算機——在這其中的每一個設備內部，無論是看不見的還是鮮為人知的，都是這項微小的技術使之成為可能，它叫半導體。 半導體器件是現代計算的基本組成部分。被稱為晶體管的半導體設備是在計算機內部運行計算的微型電子開關。 美國科學家于1947年建造了第一個硅晶體管。在此之前，計算機理是由真空管完成的，該真空管體積大，速度慢。直至后來，硅改變了一切。

▲電子制造流水線上的女工 硅打開了半導體材料的新大門，使一大批半導體元器件變得越來越小，這種變化逐年發生，半導體元器件變得越來越小的同時，也在變得越來越智能。 半導體工業協會首席執行官約翰·諾弗（John Neuffer）表示：“這些晶體管的小型化，使我們能夠進行前幾代人無法想象的工作。”“因為我們可以將大型運算設備安裝在微型芯片上了。” 創新的速度是空前的。芯片開始以穩定的速度被小型化，就好像該技術在遵循某種法律一樣。 約50年前，芯片巨頭英特爾的聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）首先提出摩爾定律預測，即芯片上可容納的晶體管數量每兩年就會翻一番。 直到近幾年，摩爾定律仍被證明是正確的。只是到了現在，當縮小的晶體管尺寸到物理極限時，芯片的微型化步伐才開始放慢了，摩爾定律走向逐漸失效。 早期晶體管肉眼可見，但是到了現在，一個很小的芯片可以容納數十億個晶體管。最重要的是，半導體制造業的這種指數級改進推動了數字革命。 但是，硅作為這場革命的核心元素，卻有些“謙虛”得令人驚訝，它分布得太廣泛了。硅是地球上最常見的物質之一，存在于構成地殼90％的礦物中。一項遍布全球的技術是由地球上最普遍的一種物質制成的。 硅為5000億美元（合4100億英鎊）的芯片產業提供了動力，這反過來又為價值約30億美元的全球科技經濟提供動力。 半導體業務也已成為歷史上聯系最緊密的業務之一，其原材料主要來自日本和墨西哥，而芯片制造則來自美國和中國，制成的芯片將運往世界各地，最終安裝在電子設備中，銷往世界各國的人們手上。 納弗說：“從原材料到銷往終端，硅可能要在世界范圍內傳播兩到三次。”但是，這個龐大的全球網絡可以將其起源追溯到少數幾個非常特定的地方，其中美國、德國、韓國、日本是世界上排名前四的硅晶圓出口國。

從石英石到硅

高端電子產品需要高質量的原料。后來有人在石英巖中發現了最純凈的硅，其中美國北卡羅來納州云杉松附近的一個采石場擁有世界上最純凈的石英石。 全球數以百萬計的數字設備-甚至包括您手中的智能手機或您前面的筆記本電腦-都將北卡羅來納州這座小鎮的一部分帶入其中。 Quartz公司的礦山經理Rolf Pippert說：“一想到幾乎在每部手機和計算機芯片中都可以找到Spruce Pine的石英石，這確實讓我有些詫異。”

▲硅的原材料：石英石 云杉松周圍的巖石非常獨特。二氧化硅含量高，是一種含硅化合物，污染物含量低，該地區已經開采了數百年，用于寶石和云母（一種用于油漆的硅酸鹽）。但是，隨之出土的石英被丟棄了。直到后來1980年代半導體工業的興起，石英石才變成了白金般珍貴的物質。 現在，它的售價為每噸10,000美元（8,250英鎊），以此為主營業務的Spruce Pine礦的年營業額為3億美元。用機器和炸藥從地面提取的巖石放入破碎機中，該破碎機吐出石英礫石。然后將其送至加工廠，將石英研磨成細砂。添加水和化學藥品可將硅與其他礦物分離。硅經過最后的研磨，然后裝袋并以粉末形式送到精煉廠。 世界上每年生產數十億個芯片，但對應的每年僅開采約30,000噸硅。這比美國每小時生產的建筑用砂量還少。“在云杉松地區，這里的儲量非常大，”皮珀特說。“我們現在擁有數十年的芯片制造材料。而且在我們用盡石英石之前，該行業可能會發生變化。”

從硅到芯片

將硅粉研磨成細末，將細末在1400℃的熔爐中熔化并制成圓柱形錠，然后將它們切成薄片，最終得到的產品稱為晶圓，晶圓切割的過程就像切碎黃瓜一樣。最終，幾十個矩形電路被刻印在工廠流水線中的每個晶圓上，例如紐約州Global Foundries運營的晶圓廠。從晶圓廠，芯片開始進入地球之旅。

▲芯片制造過程 “我們擁有所有公司想要制造的任何[電子]設備的印刷機，” Global Foundries（格羅方德半導體）的潔凈室工程師Chris Belfi說。 芯片體型很小，即便是灰塵或毛發等細微物質都會破壞其復雜的電路。 為了避免污染微電子產品，廣闊的晶圓工廠車間必須是無菌的。六個足球場大小的芯片生產區域比手術室還要清潔數千倍，昏暗的黃光照明能防止紫外線輻射破壞生產過程中使用的某些化學藥品。實驗室工作人員和工廠技術人員從頭到腳穿上了白色防護服，戴著口罩和護目鏡，就在這看起來有些令人毛骨悚然的照明色調中開展工作。

▲芯片生產環境 在潔凈室內，大多數操作都是由真空密封的機器人自動執行，它們之間的零件在吊裝的單軌上活動。根據設計的不同，每個芯片可能需要1,000至2,000個步驟才能生產出來。 每個進入工廠車間的空白晶圓成本要幾百美元。當它們離開晶圓廠時，身上已經印有數十億個晶體管，身價已經漲了一百多倍。Global Foundries制造的大多數芯片最終都用于手機或稱為GPU的專業硬件中，這些硬件為視頻游戲，AI和加密貨幣挖掘提供動力。 健身追蹤器、智能冰箱和智能揚聲器等互聯設備（統稱為物聯網）是另一個不斷增長的終端設備系列。貝爾菲說：“人們總是希望和更多的東西聯系在一起。”

▲經過層層改造，硅進入電子設備中 硅旅程的下一個階段通常是運送到在其它國家的電子制造商手中。Global Foundries中央工程總監Isabelle Ferain說：“我為成為半導體行業的一員感到自豪，該行業為加強世界各地人們之間的聯系做出了貢獻。”“當我觀察每天使用的電子設備時，都能從中看到我們正在研究的技術。” 半導體是僅次于飛機，汽車和石油的第四大出口商品。半導體行業的大部分收入都用于開發新產品。 研究領域中投入最高的行業有兩個，一個是制藥業，另一個就是半導體。Ferain說：“我們正身處改變著改變世界的行業。” 這樣說來，芯片制造商密切保護自己的技術秘密也就不足為奇了。“知識產權是半導體行業的命脈，”半導體行業協會的約翰·諾弗說。 但是很多國家正在努力發展半導體技術。中國是世界上最大的半導體消費國，但使用的芯片中只有一小部分是自制的。 2017年，中國進口了價值2600億美元的芯片，這是該國最大的單一進口商品。中國半導體未來的目標是更加自給自足，到2020年能生產40％的自研半導體器件，到2025年這一指數能達到70%。因此，越來越多的中國公司正在生產自己設計的芯片。

硅引發的互聯網革命

隨著時間的發展，半導體變得越來越小，價格卻越來越便宜，現在幾乎每個人都可以使用它們。據估計，超過50億人擁有移動電子設備，其中一半以上是智能手機。發展中國家還在努力提高普通民眾的電子設備使用率。 根據專注于技術政策研究的Research ICT Africa進行的調查顯示，非洲 15歲及15歲以上使用互聯網的人數從2007年的15％增加到2017年的28％。 現在已經有十分之二的非洲人擁有智能手機。“這主要歸功于半導體的進步迅速打造了更廉價的互聯網電子設備，”非洲研究ICT研究所的Anri van der Spuy表示。 更廉價的電子設備意味著即使是在大多數農村地區生活的民眾，也能開始感受到半導體技術進步的影響。 以肯尼亞集鎮納努基（Nanyuki）的農民道格拉斯·旺加拉（Douglas Wanjala）為例，他會使用智能手機來協助尋找農作物的購買者。他說：“手機使我的工作非常輕松。” 旺加拉（Wanjala）和他的妻子格拉迪斯（Gladys）經營著一家小型農場企業，在他們家附近的一條河附近的一塊土地上種植玉米和土豆。 在他擁有智能手機之前，Wanjala出售農作物的唯一方法就是將農作物推到市場賣。到了收獲季節，如果他們不能及時出售農作物，就會因為農產品變質而虧本。 互聯網技術大大降低了這種風險。Wanjala說，在擁有智能手機之前，自己推銷農作物非常困難。現在通過手機，Wanjala可隨時與潛在買家分享自己的農作物照片和信息，在玉米或土豆出土之前就與意向買家達成銷售協議。買主們還會在農作物最新鮮的狀態下，親自來收割農作物，而不再需要等待Wanjala將農作物推向市場。 Wanjala認為購買手機是一項商業投資，他花了約15,000肯尼亞先令（120英鎊）。除了聯系買家外，他還能通過手機來掌握對經營農場至關重要的信息，例如最新天氣預報和不同農作物的市場價格。 根據全球天氣組織Weather Impact的Fiona van der Burgt的研究，農場主們獲取準確天氣信息使農民在決定種植什么和何時種植農作物時比以前更具優勢，是保障肯尼亞和埃塞俄比亞等國家長期糧食安全的有效途徑。 為了順利上網，Wanjala需要訪問一個經過轉換的運輸容器附近Wifi熱點。在遠離城市的地方，這種信號樞紐為當地社區數據訪問提供了生命線。在許多國家，城市和農村地區的互聯網訪問體驗仍存在很大差距。 但是，根據波恩大學HeikeBaumüller的研究，撒哈拉以南非洲地區的互聯網發展前景令人鼓舞，肯尼亞農民已成為采用移動技術來促進業務發展的領先者。 Research ICT Africa的數據顯示，肯尼亞有24％的人上網，是非洲互聯網使用量排名第三的國家。其他國家的互聯網使用量被遠遠拋在后面。例如，在盧旺達，只有9％的人可以訪問互聯網，這是非洲大陸上訪問量最低的國家，而且，其中有77％的互聯網用戶生活在城市中。 范德斯普伊（van der Spuy）認為，我們需要警惕這種數字鴻溝可能會使人們之間的差距變得更大。她說：“現在，互聯網接入已成為參與社會的先決條件。”索取社會福利，申請工作或為孩子上學注冊之類的事情越來越多地在網上完成。 這種鴻溝不僅存在于城鄉人口之間，富人比窮人更可能使用互聯網，男人比女人更可能使用互聯網，年輕人比老年人更可能使用互聯網。“如果您無法使用互聯網，則可能會被甩在后面。” 欣慰的是，隨著半導體技術的不斷發展和更多人學習數字技能，這些差距可能在縮小。 智能手機甚至可以促進一個國家的整體經濟。根據一項估計，發展中國家如果每100人中有10部移動電話可促進整體GDP增長0.5％。 很少有一項技術能夠改變這么多人的生活。“將簡單的物質變成純石英砂，然后將其轉變為如今連接我們生活所需的，看起來無限復雜的半導體技術，這是一個相當了不起的想法。”Neuffer認為。