人类社会对算力的需求不断提升，将来地球上的硅还够用吗？
这个问题挺有意思的，而且确实是个值得我们深思的现实问题。你想啊，现在从我们手里那块小小的手机，到背后驱动着整个互联网运转的庞大数据中心，再到前沿的科学研究，哪一样离了“算力”都寸步难行。而算力这东西，说到底，很大程度上依赖于半导体芯片，而制造这些芯片最核心的材料，就是硅。
那么，地球上的硅到底够不够用？这是一个挺复杂的问题，不能简单地说“够”或“不够”。咱们得掰开了揉碎了说。
首先，我们得明白，地球上的硅储量是极其极其丰富的。 硅是地壳中仅次于氧的第二大元素，以氧化物（比如二氧化硅，也就是我们常见的沙子）的形式广泛存在。据估计，地壳中大约有28%的质量是硅。光是想想有多少沙子，你就知道这数量级有多大了。所以，从这个角度看，单纯的硅元素资源，我们根本不用担心会枯竭。
那问题出在哪儿呢？问题不在于硅元素本身，而在于“高纯度半导体级硅”的获取和提纯过程。
我们芯片制造用的硅，可不是我们海边随便抓来的沙子就能用的。它需要达到极高的纯度，通常是99.9999999%（九个九）甚至更高。这种级别的纯度要求，使得硅的提纯过程变得异常复杂和耗能。
这个过程大致是这样的：
1. 提取石英砂： 首先要从矿藏中开采出富含二氧化硅的石英砂。
2. 还原： 将二氧化硅在电弧炉中与碳一起高温加热，还原成冶金级硅（纯度在98%99%左右）。这已经是工业上非常有用的材料了，比如用于制造铝合金、硅钢等。
3. 化学提纯（西门子法或流化床法）： 这是关键的一步，也是最耗能、最复杂的一步。
制备硅烷： 冶金级硅与氯化氢气体反应，生成三氯硅烷（SiHCl3）等含硅气体。
蒸馏提纯： 利用三氯硅烷的沸点不同，通过反复多次精馏，去除其中的杂质。
分解提纯： 将高纯度的三氯硅烷气体通入加热的硅棒上，在高温下分解，沉积出多晶硅。这个过程通常需要消耗大量的电能，而且设备精密。
4. 单晶生长（直拉法或区熔法）： 为了制造高质量的芯片，我们还需要将高纯度的多晶硅熔化，然后通过特定的技术（比如查克拉斯基法，也就是直拉法）拉出纯度更高、晶体结构完整的单晶硅棒。这个过程对温度、速度、坩埚材料等都有极其严格的控制，同样消耗巨大。
5. 切片与抛光： 最后将这些单晶硅棒切成薄片，也就是我们常说的“晶圆”，然后进行超精密抛光，达到可以进行光刻的表面。
所以，问题的关键不在于硅的“有”，而在于能用、够用的“好硅”。 这个“好硅”的生产过程，需要大量的能源、水资源，以及高度精密的化学和物理工艺。
那么，我们具体来分析一下算力需求提升带来的影响：
芯片出货量激增： 随着人工智能、5G通信、物联网、自动驾驶、元宇宙等技术的发展，对高性能芯片的需求呈爆炸式增长。这意味着需要生产的晶圆数量也随之大幅增加。
制程工艺的挑战： 芯片制造的制程越来越先进（比如从10nm到7nm，再到5nm，甚至3nm以下）。越先进的制程，对硅材料的纯度、均匀性、缺陷控制等要求越高，生产工艺的难度也越大，良品率也可能更低，这意味着单位芯片消耗的硅材料成本和资源投入都更高。
封装技术的进步： 除了前道制造，后道的封装技术也在不断进步，比如Chiplet（小芯片）技术，将不同的功能模块独立制造后再封装在一起。这虽然能提高整体性能，但对硅基板、互联材料等也提出了新的要求。
替代材料的可能性与局限性： 有人会问，有没有可能用其他材料替代硅呢？目前确实有研究在进行，比如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料，它们在某些领域（如高频通信、大功率器件）有优势。但它们在成本、加工难度、通用性以及制造成熟度上，距离硅还有很大差距。大规模替代硅，尤其是在逻辑计算和存储领域，短期内几乎不可能。
回到“够不够用”这个问题：
目前来看，从绝对的资源储量上说，地球上的硅元素是足够的。 即使全球所有已探明的硅矿资源全部用来提纯半导体级硅，也可能远远满足不了未来几十年的芯片需求（当然，这只是一个理论上的说法，实际情况复杂得多）。
但是，我们面临的挑战是生产能力和成本。
1. 产能限制： 生产高纯度半导体级硅是一个技术密集、资本密集且周期长的过程。建设新的硅提纯厂和晶圆厂需要巨额投资和大量时间。即使有需求，产能的提升速度也可能跟不上爆发式增长的需求。
2. 成本问题： 提纯过程的能耗、环保投入、技术门槛都意味着生产“好硅”的成本很高。如果算力需求持续增长，而提纯技术和能源效率没有显著突破，那么硅的成本可能会成为一个制约因素。
3. 能源与环境压力： 硅提纯过程，尤其是高温还原和化学反应，是能源消耗大户。随着全球对气候变化的关注，未来对高能耗产业的限制可能会增加，这也可能影响硅的生产。
4. 地域集中度： 虽然硅元素分布广泛，但高纯度硅的生产和晶圆制造的产能却高度集中在少数几个国家和地区。这种地域集中度也带来了供应链的安全和稳定性问题，可能在局部区域形成“短缺”。
总而言之，我们可以这样理解：
硅元素资源本身，地球是“够”的，丰富到我们无需为元素本身枯竭而担忧。
然而，将这些元素转化成我们制造芯片所需的“高纯度半导体级硅”的生产能力、技术成熟度、以及生产过程中的成本、能源、环保等因素，才是决定未来是否“够用”的关键。
如果算力需求继续以当前甚至更快的速度增长，而我们在提纯技术、节能工艺、产能扩张、乃至探索新型半导体材料方面没有取得突破性的进展，那么我们可能会面临“好硅”的供应紧张，或者成本过高的问题。这最终会影响到计算设备的普及和技术的整体发展速度。
所以，与其担心硅元素本身不够，不如关注如何更高效、更环保、更稳定地生产出满足未来需求的半导体级硅，以及如何通过设计优化、材料创新等方式，降低对“好硅”的依赖程度，从而持续推动算力的进步。这是一个系统性的工程，需要技术、经济、政策等多方面的共同努力。
那么，地球上的硅到底够不够用？这是一个挺复杂的问题，不能简单地说“够”或“不够”。咱们得掰开了揉碎了说。
首先，我们得明白，地球上的硅储量是极其极其丰富的。 硅是地壳中仅次于氧的第二大元素，以氧化物（比如二氧化硅，也就是我们常见的沙子）的形式广泛存在。据估计，地壳中大约有28%的质量是硅。光是想想有多少沙子，你就知道这数量级有多大了。所以，从这个角度看，单纯的硅元素资源，我们根本不用担心会枯竭。
那问题出在哪儿呢？问题不在于硅元素本身，而在于“高纯度半导体级硅”的获取和提纯过程。
我们芯片制造用的硅，可不是我们海边随便抓来的沙子就能用的。它需要达到极高的纯度，通常是99.9999999%（九个九）甚至更高。这种级别的纯度要求，使得硅的提纯过程变得异常复杂和耗能。
这个过程大致是这样的：
1. 提取石英砂： 首先要从矿藏中开采出富含二氧化硅的石英砂。
2. 还原： 将二氧化硅在电弧炉中与碳一起高温加热，还原成冶金级硅（纯度在98%99%左右）。这已经是工业上非常有用的材料了，比如用于制造铝合金、硅钢等。
3. 化学提纯（西门子法或流化床法）： 这是关键的一步，也是最耗能、最复杂的一步。
制备硅烷： 冶金级硅与氯化氢气体反应，生成三氯硅烷（SiHCl3）等含硅气体。
蒸馏提纯： 利用三氯硅烷的沸点不同，通过反复多次精馏，去除其中的杂质。
分解提纯： 将高纯度的三氯硅烷气体通入加热的硅棒上，在高温下分解，沉积出多晶硅。这个过程通常需要消耗大量的电能，而且设备精密。
4. 单晶生长（直拉法或区熔法）： 为了制造高质量的芯片，我们还需要将高纯度的多晶硅熔化，然后通过特定的技术（比如查克拉斯基法，也就是直拉法）拉出纯度更高、晶体结构完整的单晶硅棒。这个过程对温度、速度、坩埚材料等都有极其严格的控制，同样消耗巨大。
5. 切片与抛光： 最后将这些单晶硅棒切成薄片，也就是我们常说的“晶圆”，然后进行超精密抛光，达到可以进行光刻的表面。
所以，问题的关键不在于硅的“有”，而在于能用、够用的“好硅”。 这个“好硅”的生产过程，需要大量的能源、水资源，以及高度精密的化学和物理工艺。
那么，我们具体来分析一下算力需求提升带来的影响：
芯片出货量激增： 随着人工智能、5G通信、物联网、自动驾驶、元宇宙等技术的发展，对高性能芯片的需求呈爆炸式增长。这意味着需要生产的晶圆数量也随之大幅增加。
制程工艺的挑战： 芯片制造的制程越来越先进（比如从10nm到7nm，再到5nm，甚至3nm以下）。越先进的制程，对硅材料的纯度、均匀性、缺陷控制等要求越高，生产工艺的难度也越大，良品率也可能更低，这意味着单位芯片消耗的硅材料成本和资源投入都更高。
封装技术的进步： 除了前道制造，后道的封装技术也在不断进步，比如Chiplet（小芯片）技术，将不同的功能模块独立制造后再封装在一起。这虽然能提高整体性能，但对硅基板、互联材料等也提出了新的要求。
替代材料的可能性与局限性： 有人会问，有没有可能用其他材料替代硅呢？目前确实有研究在进行，比如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料，它们在某些领域（如高频通信、大功率器件）有优势。但它们在成本、加工难度、通用性以及制造成熟度上，距离硅还有很大差距。大规模替代硅，尤其是在逻辑计算和存储领域，短期内几乎不可能。
回到“够不够用”这个问题：
目前来看，从绝对的资源储量上说，地球上的硅元素是足够的。 即使全球所有已探明的硅矿资源全部用来提纯半导体级硅，也可能远远满足不了未来几十年的芯片需求（当然，这只是一个理论上的说法，实际情况复杂得多）。
但是，我们面临的挑战是生产能力和成本。
1. 产能限制： 生产高纯度半导体级硅是一个技术密集、资本密集且周期长的过程。建设新的硅提纯厂和晶圆厂需要巨额投资和大量时间。即使有需求，产能的提升速度也可能跟不上爆发式增长的需求。
2. 成本问题： 提纯过程的能耗、环保投入、技术门槛都意味着生产“好硅”的成本很高。如果算力需求持续增长，而提纯技术和能源效率没有显著突破，那么硅的成本可能会成为一个制约因素。
3. 能源与环境压力： 硅提纯过程，尤其是高温还原和化学反应，是能源消耗大户。随着全球对气候变化的关注，未来对高能耗产业的限制可能会增加，这也可能影响硅的生产。
4. 地域集中度： 虽然硅元素分布广泛，但高纯度硅的生产和晶圆制造的产能却高度集中在少数几个国家和地区。这种地域集中度也带来了供应链的安全和稳定性问题，可能在局部区域形成“短缺”。
总而言之，我们可以这样理解：
硅元素资源本身，地球是“够”的，丰富到我们无需为元素本身枯竭而担忧。
然而，将这些元素转化成我们制造芯片所需的“高纯度半导体级硅”的生产能力、技术成熟度、以及生产过程中的成本、能源、环保等因素，才是决定未来是否“够用”的关键。
如果算力需求继续以当前甚至更快的速度增长，而我们在提纯技术、节能工艺、产能扩张、乃至探索新型半导体材料方面没有取得突破性的进展，那么我们可能会面临“好硅”的供应紧张，或者成本过高的问题。这最终会影响到计算设备的普及和技术的整体发展速度。
所以，与其担心硅元素本身不够，不如关注如何更高效、更环保、更稳定地生产出满足未来需求的半导体级硅，以及如何通过设计优化、材料创新等方式，降低对“好硅”的依赖程度，从而持续推动算力的进步。这是一个系统性的工程，需要技术、经济、政策等多方面的共同努力。
网友意见
地壳的 90% 以上是硅酸盐，硅占地壳质量的 28% 左右，占比仅次于氧。如果人类能发展到值得担心这玩意不够用的地步，人类拥有的技术会让你根本不需要担心。
按质量排序，硅是可观测宇宙中第八多的元素，简直到处都是。
基于碳的晶体管是可行的。不过，地球上的碳储量不如硅。
锗占地壳质量的百万分之 1.6 左右，目前的低产量主要是因为缺少富矿，主流生产方法是从锗浓度 0.3% 的闪锌矿中提取，相当傻。
比起硅片，混凝土更需要满足特定要求的沙子，沙漠里那些磨得太碎的沙子能做硅片而不能做混凝土。在世界范围内，河沙短缺问题正在随城市化进程而加剧，一些“沙子海盗”在破坏性采掘印度尼西亚等地的岛屿沙床[1]。题目担忧的反而是硅资源方面最不需要担忧的领域。
参考
- ^ Zhong, X., Deetman, S., Tukker, A. et al. Increasing material efficiencies of buildings to address the global sand crisis. Nat Sustain (2022). https://doi.org/10.1038/s41893-022-00857-0
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