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，亞歷克斯·格洛弗（Alex Glover）坐在麥當勞前的塑料長(cháng)凳上。他翻遍了背包，然后拿出一個(gè)裝滿(mǎn)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)小鎮周?chē)陌屠鮼喩矫}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(zhù)小橢圓形眼鏡，留著(zhù)整齊的白色小胡子，和頭發(fā)呼應著(zhù)。他頭上戴著(zhù)一頂吉普棒球帽。他說(shuō)話(huà)慢吞吞的，語(yǔ)調強度中等。他喜歡強調第一個(gè)音節，并拉長(cháng)了一些元音。我們一邊喝著(zhù)咖啡，一邊聽(tīng)他解釋為什么這個(gè)偏遠地區會(huì )對世界產(chǎn)生非常重要的影響。
Spruce Pine地區并不富裕，它的中心是一個(gè)夢(mèng)游者火車(chē)站，街對面是兩棟兩層的磚砌建筑，里面是一個(gè)長(cháng)期關(guān)閉的電影院和幾家空置的店面。
然而，Spruce Pine地區周?chē)鷺?shù)木繁茂的群山中蘊藏著(zhù)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地區擁有最純凈的天然石英石——一種地球上從未發(fā)現過(guò)的原始沙土。這種超精礦的二氧化硅顆粒在制造用于計算機芯片的硅方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。事實(shí)上，你的筆記本電腦或手機能很好地運行取決于芯片，而這些芯片很有可能是用阿巴拉契亞偏遠地區的沙土制成的。“這是一個(gè)價(jià)值10億美元的產(chǎn)業(yè)，”格洛弗大笑著(zhù)說(shuō)。“開(kāi)車(chē)從這兒經(jīng)過(guò)是看不出來(lái)的。你永遠也不會(huì )知道。”
在21世紀，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出來(lái)。這是一個(gè)數字時(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(lè )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、平板電腦和手機所定義。如果沒(méi)有這些沙石，這一切都不可能發(fā)生。
世界上大多數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(chēng)為硅石。高純二氧化硅顆粒是我們制造計算機芯片、光纖電纜和其他高科技硬件（虛擬世界運行的物理部件）的基本原料。與用于混凝土或土地復墾的石英石山相比，用于這些產(chǎn)品的石英石的數量微不足道，但其影響是不可估量的。
Spruce Pine地區的礦物寶藏是該地區獨特地質(zhì)歷史的結果。大約3.8億年前，該地區位于赤道以南。板塊構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?chē)拗鲙r石的裂縫和裂縫中，在那里形成了被稱(chēng)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(méi)有任何雜質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，偉晶巖大約有65%的長(cháng)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)。天氣等自然現象侵蝕了裸露的巖石，最后剩下偉晶巖的堅硬巖層留在地表附近。
▲尤尼明（Unimin）在北卡羅萊納的石英工廠(chǎng)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(kāi)采出閃閃發(fā)光的云母，將其用作墳墓裝飾和貨幣。19世紀，美國殖民者開(kāi)始慢慢地進(jìn)入山區，以務(wù)農為生。一些勘探者試圖涉足云母行業(yè)，但由于山區地形陡峭，他們遭遇了重重困難。
1903年，該地區的前景開(kāi)始有所改善。當時(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(xiàn)。他們在山上開(kāi)辟了一條鐵路，這是一條蜿蜒曲折的神奇路線(xiàn)，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(kāi)放，采礦業(yè)開(kāi)始復蘇。當地人和勘探者在后來(lái)被稱(chēng)為Spruce Pine礦區的山區挖了數百個(gè)豎井和露天礦井。這個(gè)礦區長(cháng)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。在第二次世界大戰期間，市場(chǎng)對云母和長(cháng)石的需求激增，在該地區的偉晶巖中發(fā)現了大量的云母和長(cháng)石。Spruce Pine開(kāi)始繁榮起來(lái)。這個(gè)小鎮的規模在20世紀40年代擴大了四倍。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。每天還有三列客運火車(chē)通過(guò)。
到本世紀末，田納西河谷管理局（TVA）派遣了一組科學(xué)家前往Spruce Pine，負責進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該地區的礦產(chǎn)資源。他們把注意力集中在能掙錢(qián)的云母和長(cháng)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(cháng)石，鑲嵌著(zhù)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)，當地人只是簡(jiǎn)單地把偉晶巖挖出來(lái)，用手工工具或粗糙的機器碾碎，然后用手將長(cháng)石和云母分開(kāi)。剩下的石英被認為是垃圾，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)驗室的研究人員合作，開(kāi)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)大型跨國公司產(chǎn)業(yè)。”
泡沫浮選法是將巖石倒入機械破碎機，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)，加入與云母顆粒結合的化學(xué)物質(zhì)，使其疏水。疏水是指它們不想接觸水?，F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(cháng)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(lèi)似的過(guò)程讓鐵浮起來(lái)。再重復這個(gè)過(guò)程讓長(cháng)石分離出來(lái)。
長(cháng)石現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的正是長(cháng)石。當時(shí)，人們認為石英砂是無(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(kāi)始購買(mǎi)它，并把它通過(guò)鐵路向北運送到康寧在紐約伊薩卡島的工廠(chǎng)。到了工廠(chǎng)，石英就被生產(chǎn)成了從窗戶(hù)到瓶子等等各種玻璃制品。
20世紀30年代，Spruce Pine石英在玻璃領(lǐng)域取得了一次偉大的成就。當時(shí)康寧公司贏(yíng)得了一份合同，為世界上最大的望遠鏡制造鏡子，該望遠鏡是由南加州的帕洛瑪天文臺訂購的。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(kāi)始通過(guò)一端的一扇門(mén)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(kāi)始出現一個(gè)火辣辣的水池，慢慢地上升，形成50英尺長(cháng)、15英尺寬的熾熱的湖。”該望遠鏡于1947年安裝在天文臺。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。至今仍在使用。
盡管這臺望遠鏡很重要，但隨著(zhù)數字時(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50年代中期，在距離北卡羅來(lái)納州數千英里的加利福尼亞，一群工程師開(kāi)始研究一項發(fā)明，這項發(fā)明后來(lái)成為了計算機工業(yè)的基礎。貝爾實(shí)驗室的開(kāi)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(chē)程的地方，離他長(cháng)大的地方很近。斯坦福大學(xué)就在附近，通用電氣和IBM在該地區都有工廠(chǎng)，還有一家叫惠普的新公司。當時(shí)，被人們稱(chēng)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——硅谷。
當時(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相開(kāi)發(fā)更小、更高效的晶體管，用于其他產(chǎn)品和電腦。第一臺美國計算機ENIAC是在第二次世界大戰期間由軍隊開(kāi)發(fā)出來(lái)的，它長(cháng)100英尺，高10英尺，在18000個(gè)真空管上運行。
晶體管是一種微小的電子開(kāi)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，使新機器功能更強大的同時(shí)面積反而縮小了。半導體——包括鍺和硅在內的一類(lèi)小元素，可以在一定溫度下導電，而在其他溫度下則會(huì )阻擋電流。半導體看起來(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千度，然后開(kāi)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(zhù)白大褂，戴著(zhù)護目鏡和工作手套。當他們打開(kāi)窯門(mén)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(méi)有名字的。”
肖克利開(kāi)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移到了硅上。“因為他已經(jīng)擁有了第一家，同時(shí)也是最著(zhù)名的半導體研發(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，轉而選擇了硅作為研究對象，”喬爾·薛金（Joel Shurkin）在他關(guān)于肖克利的傳記《破碎的天才》中寫(xiě)道。“的確，如果沒(méi)有他的決定，我們現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(cháng)晶體管方向而聞名。
1959年，諾伊斯和他的同事們發(fā)現了一種方法，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(kāi)發(fā)了一種類(lèi)似的鍺制造的小器具。然而，諾伊斯公司的效率更高，而且很快就主導了市場(chǎng)。NASA選擇了仙童公司的微芯片用于太空計劃，很快銷(xiāo)售額就增長(cháng)到每年1.3億美元。1968年，諾伊斯離開(kāi)，創(chuàng )立了自己的公司——英特爾，并很快主導了新興的可編程計算機芯片行業(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。今天的計算機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)數字世界的大腦。谷歌、亞馬遜、蘋(píng)果、微軟以及支撐從五角大樓到當地銀行的一切工作的計算機系統——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)極其復雜的過(guò)程。雖然硅很多，但是人們需要的是純硅。問(wèn)題是它從來(lái)不會(huì )以純元素的形式自然發(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)強大的電爐中被炸開(kāi)，形成一種化學(xué)反應，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。但對于高科技應用來(lái)說(shuō)，這還遠遠不夠。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算機芯片級多晶硅。
美國尤尼明公司于20世紀90年代開(kāi)始，對北卡羅來(lái)納州Spruce Pine地區的偉晶花崗巖開(kāi)展了卓有成效的開(kāi)發(fā)利用，已開(kāi)發(fā)出IOTA-STD（標準級）、IOTA-4、IOTA-6、IOTA-8等高純石英系列產(chǎn)品，幾乎壟斷了國際市場(chǎng)，并成為國際標準。
如今，Unimin公司主導著(zhù)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、手機或筆記本電腦的大腦。整個(gè)過(guò)程需要數百個(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。
據估計，全世界每年生產(chǎn)的高純度石英的總量為3萬(wàn)噸，比美國每小時(shí)生產(chǎn)的建筑砂的總量還少。Unimin公司對生產(chǎn)數據非常敏感，絕不輕易透露?，F在，Unimin甚至不允許礦產(chǎn)研究實(shí)驗室的工作人員進(jìn)入礦山或加工設施。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)供應商購買(mǎi)設備和零部件。格洛弗聽(tīng)說(shuō)，承包商被蒙住眼睛進(jìn)入加工廠(chǎng)，直到他們到達自己工作的特定區域，還有一名員工因未經(jīng)授權而被當場(chǎng)解雇。他說(shuō)，公司甚至不允許員工與競爭對手交往。要驗證格洛弗的故事是很困難的，因為我根本無(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(chǎng)進(jìn)行調查，仍然以失敗告終。
在Spruce Pine地區，所有的財富都是從地里挖出來(lái)的，但沒(méi)有多少能留在那里。如今，這些礦山都歸外國公司所有。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，遠低于全國平均水平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(xiàn)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度日。格洛弗的副業(yè)是在他的家里種植圣誕樹(shù)。為數不多的新工作來(lái)源之一是該地區剛剛建立的幾個(gè)巨大的數據處理中心。受到廉價(jià)土地的吸引，谷歌、蘋(píng)果、微軟和其他科技公司都在距離Spruce Pine一小時(shí)車(chē)程的地方開(kāi)辟了服務(wù)器農場(chǎng)。
來(lái)源：獵云網(wǎng)
