Благодаря этому чистейшему суперсекретному песку существует ваш телефон

Анна Самойдюк
Расскажите друзьям
Анна Самойдюк

Процессор, благодаря которому работает ваш ноутбук или телефон, сделан из кварца, добытого в Аппалачах. Журналист Винс Бейсер для своей книги отправился в Северную Каролину – месторождение чистейшего кварца – чтобы выяснить, как он добывается, обрабатывается и используется для производства чипов. Свою историю он опубликовал в журнале Wired.

Гловер – недавно вышедший на пенсию геолог, который потратил десятки лет на поиски ценных минералов на склонах Аппалачей, окружающих маленький городок Спрус Пайн в Северной Каролине. Он объясняет, почему этот отдаленный район так важен для всего мира.

Спрус Пайн – бедный городок. В центре находится железнодорожный вокзал, закрытый давным-давно кинотеатр и несколько пустых магазинов.

Горы же, которые его окружают, богаты на различные минералы. Как оказалось, Спрус Пайн – месторождение чистейшего природного кварца, когда-либо найденного на планете. Этот городок играет ключевую роль в производстве кремния, используемого для изготовления компьютерных чипов. Вполне вероятно, чип, который заставляет ваш ноутбук или телефон работать, был сделан из песка из Аппалачей. «Это огромная миллиардная индустрия. А так и не скажешь, взглянув на это место», – говорит Гловер.

Такие камни являютя основой современных компьютерных чипов. Фото: Charles O'Rear/Getty Images. 

В XXI веке песок стал важнее, чем когда-либо в истории. Это цифровая эпоха, когда наша работа, развлечения, способы общения определяются интернетом и компьютерами, планшетами и телефонами, которые нас к нему подключают. Ничего из этого не было бы возможным без песка.

Большинство песчинок на планете состоит из кварца, который является формой диоксида кремния. Чистейшие частицы диоксида кремния – это основное сырье, из которого мы делаем компьютерные чипы, оптоволоконный кабель и другое высокотехнологичное оборудование: физические компоненты, на которых основывается виртуальный мир. Количество кварца, используемого для этих продуктов, незначительно, по сравнению с тем, сколько его используют для бетона и намыва территории. Но его влияние неизмеримо.

Минералогическое богатство Спрус Пайна – результат уникальной геологической истории места. Около 380 миллионов лет назад район находился южнее экватора. Тектоническое движение плит сдвинуло Африканский континент в сторону восточной Америки, выдавив более тяжелую океаническую кору – геологический слой под водой океана – под более легкий Североамериканский континент. Такое трение вырабатывало тепло, превышающее 1000 градусов цельсия, и плавило камень, лежавший на 14-24 км ниже поверхности. Из-за большого давления этот расплавившийся камень попал в трещины окружающей вмещающей породы, в связи с чем сформировались залежи так называемых пегматитов.

Этот расплавленный камень остыл и кристаллизовался спустя 100 миллионов лет. Благодаря глубине, на которой он был погребен, и нехватке воды, где все это происходило, пегматиты образовывались практически без примесей. В общем и целом, они на 65% – полевые шпаты, на 25% – кварц, на 8% – слюда и 2% – остальные минералы. Между тем, через 300 миллионов лет плита под Аппалачами сдвинулась вверх. Погода разрушала обнаженную скалу, пока твердые образования пегматитов не вышли на поверхность.

Фото: Jerry Whaley/Alamy

Коренные американцы добывали блестящую слюду и использовали ее в качестве украшения надгробных камней и в качестве валюты. Американские поселенцы начали выбираться в горы в XIX веке, открывая там фермы. Некоторые попытались построить бизнес на слюде, но им помешала география гор. «Не было ни рек, ни дорог, ни поездов. Им нужно было перевозить товар на лошадях», – рассказывает Дэвид Биддикс, историк-аматор, написавший несколько книг об округе Митчелл, где находится Спрус Пайн.  

Дела начали улучшаться в 1903 году, когда в горах проложили железную дорогу. Когда наконец-таки была установлена связь с внешним миром, добыча ископаемых стала приносить прибыль. Начали строиться сотни шахт, вокруг которых формировались небольшие поселения.

Сейчас слюда в основном используются как специальная добавка в косметике, гипсокартоне и герметике. Во времена Второй мировой войны резко вырос спрос на нее и полевые шпаты, находящиеся в огромном изобилии в районе пегматитов. Спрус Пайн начал процветать. В 1940-х город разросся в четыре раза. На пике успеха в Спрус Пайне открылись три кинотеатра, два бассейна, боулинг-клуб и рестораны. Каждый день через город проезжали три пассажирских поезда.

Главная улица Спрус Пайн. Фото: Kubigula

В конце десятилетия компания Tennessee Valley Authority отправила в Спрус Пайн команду ученых, задача которых состояла в том, чтобы развить минеральные ресурсы района. Они фокусировались на минералах, приносящих больше всего денег – слюде и полевом шпате. Проблема заключалась в том, что их сложно было отделить от других. Типичный кусок пегматита Спрус Пайна выглядит, как кусок странной, но заманчивой карамели: молочно-белый или розовый полевой шпат, внутри которого находится блестящая слюда, усеянная прозрачным или дымчатым кварцем, налитая в разных местах кусочками цветных минералов.

На протяжении многих лет местные просто выкапывали пегматиты и разбивали их инструментами, отделяя полевой шпат от слюды руками. Остававшийся кварц считался мусором, который в лучшем случае использовали в качестве строительного песка, но в основном его выбрасывали с другими минералами.

Работая с исследователями из лаборатории минералов при Университете Северной Каролины, ученые TVA придумали более быстрый и эффективный метод отделения минералов – флотационный метод. «Это произвело революцию в индустрии. Из семейного бизнеса она превратилась в корпоративную индустрию».

Железнодорожная станция в Спрус Пайне. Фото: Ken Thomas

Согласно новой технике, камень пропускался через механические дробилки до тех пор, пока не разбивался на кучу смешанных минеральных гранул. Вы бросаете эту смесь в бак, добавляете воду и превращаете ее в молочную суспензию, хорошо все перемешиваете. Затем добавляете реагенты – химикаты, соединяющиеся с зернышками слюды и делающие их гидрофобными. Следующий шаг – через смесь частиц с водой пропустить мелкие пузырьки воздуха. Гидрофобные частицы прилипнут к пузырькам воздуха, и слюда вынесется с ними на поверхность в составе трехфазной пены. В дальнейшем сгущаете и фильтруете пену. Вуаля: вы отделили слюду!

Оставшийся полевой шпат, кварц и железо собираются со дна бака и переносятся в другой, где проходит похожая процедура.

Именно полевой шпат, используемый для производства стекла, впервые привлек инженеров из Corning Glass Company в Спрус Пайн. В то время остатки кварца все еще казались всем ненужным мусором. Однако инженеры, находящиеся в вечном поиске качественного материала для производства стекла, заметили чистоту кварца и начали покупать его и перевозить поездами в город Итака в Нью-Йорке, где с его помощью производилось все – от окон до бутылок.

Одно из величайших достижений кварца из Аппалачей произошло в 1930-х, когда Corning Glass Company выиграла контракт на производство зеркала для самого большого телескопа в мире, который заказала Паломарская обсерватория в Южной Калифорнии. Для производства зеркала весом в 20 тонн потребовалось растопить горы кварца в гигантской печи, разогретой до 1500 градусов цельсия, пишет Дэвид Окс Вудбери в книге «Стеклянный гигант Паломара».

Телескоп был установлен в обсерватории в 1947 году. Благодаря его беспрецедентной мощности были совершены важные открытия о составе звезд и размере Вселенной. Он используется по сей день.

Фото: The Montifraulo Collection/Getty Images

Вскоре кварц из Спрус Пайна сыграет куда более важную роль.

В середине 1950-х в тысячах километров от Северной Каролины группа инженеров в Калифорнии начала работать над изобретением, которое станет основой компьютерной индустрии. Уильям Шокли, перспективный инженер в Bell Labs, ушел из компании, чтобы основать собственную в тихом городке Маунтин-Вью, в часе езды от Сан-Франциско, где он вырос. Неподалеку находился Стэнфордский университет и несколько больших компаний, таких как General Electric и IBM. Тогда эта местность называлась Долиной Санта-Клара, и в ней не было ничего примечательного. Вскоре она получит более известное название – Кремниевая долина.

В то время рынок транзисторов развивался быстрыми темпами. Texas Instruments, Motorola и другие компании конкурировали в создании еще более миниатюрных, более эффективных транзисторов, которые, в числе прочего, будут использованы в компьютерах. Первый американский компьютер ЭНИАК был разработан во время Второй мировой войны; его размер превышал 30 метров в ширину и 3 метра в высоту, он работал на 18000 вакуумных труб.

Фото: Famous People. Уильям Шокли

Транзисторы – то есть крошечные электронные переключатели, контролирующие поток электричества – заменили эти трубы и сделали новые машины более мощными. Полупроводники – небольшой класс элементов, включая кремний и германий, проводящий электричество при определенных температурах и блокирующий его при других – казались многообещающими материалами для производства этих транзисторов.

В стартапе Шокли группа молодых докторов наук каждое утро начинала с того, что разжигала печи до тысяч градусов цельсия и плавила германий и кремний. Шокли вскоре понял, что кремний был более перспективным материалом, и сменил свой фокус. «Поскольку он открыл первую и самую известную компанию по исследованию и производству полупроводников, все, кто работал с германием, сразу же все бросили и перешли на кремний», – пишет Джоэл Шеркин в своей книге о Шокли «Сломанный гений». «Если бы не Шокли, все бы сейчас говорили о Германиевой долине», – пишет он.

Шокли был гением, и в то же время плохим начальником. За пару лет несколько его самых талантливых инженеров уволились из компании, чтобы открыть свою – Fairchild Semiconductor. Одним из них был Роберт Нойс, гениальный инженер, уже в юном возрасте известный благодаря своему глубокому опыту работы с транзисторами.

Прорыв произошел в 1959 году, когда Нойс вместе с коллегами придумал, как собрать несколько транзисторов на одном кусочке чистейшего кремния размером с ноготок. Примерно в то же время компания Texas Instruments разработала похожий гаджет, только из германия. Вариант, предложенный Нойсом, был более эффективным и вскоре захватил рынок. NASA выбрала микрочип Fairchild для использования в космической программе, и продажи буквально за год выросли с нуля до $130 миллионов. В 1968 году Нойс решил основать свою компанию – сегодня всем известную как Intel.

Фото: Википедия

Первый коммерческий чип Intel, выпущенный в 1971 году, содержал 2250 транзисторов. Сегодняшние компьютерные процессоры содержат миллиарды транзисторов. Эти крохотные электронные квадраты и прямоугольники – мозги, которые запускают компьютер, интернет и весь цифровой мир. Google, Amazon, Apple, Microsoft, компьютерные системы, лежащие в основе работы всего – от Пентагона до вашего банка – все это существует благодаря песку, переделанному в кремниевые чипы.

Производство таких чипов – сложный процесс. Для этого требуется чистый кремний. Малейшая примесь может все испортить.

Найти кремний просто. Это один из самых изобилующих элементов на Земле. Проблема в том, что он не появляется сразу чистым. Разделение кремния требует значительных усилий.

С самого начала берут чистый кварцевый песок, используемый для стекла. Затем кварц помещают в мощную электрическую печь, тем самым запуская химическую реакцию, отделяющую большую часть кислорода. В итоге остается кремниевый металл – на 99% чистый кремний. Но этого очевидно недостаточно для высокотехнологичных целей. Кремний для солнечных батарей должен быть на 99,999999% чистым – шесть девяток после запятой. Компьютерные чипы еще более требовательны. Их кремний должен быть на 99,99999999999% чистым – одиннадцать девяток после запятой.

Для этого кремниевый металл подвергается ряду сложных химических процессов. В первом раунде кремниевый металл разбивается на два соединения. Одно из них – хлорид кремния, второе – трихлорсилан, который далее обрабатывается, чтобы стать поликремнием, чистейшей формой кремния, которая будет ключевым элементом для производства солнечных батарей и компьютерных чипов.

Цена материала заметно растет с каждым шагом обработки. В самом начале, на 99% чистый кремний стоит примерно $1 за 500 грамм; поликремний – в десять раз больше.

Фото: Getty Images

Дальше нужно расплавить поликремний. Но нельзя просто бросить этот изысканный материал в печь. Если расплавленный кремний вступит в контакт даже с малейшим количеством неправильной субстанции, он вызовет губительную химическую реакцию. Вам нужны тигли, сделанные из субстанции, способной выдержать температуру, необходимую для того, чтобы расплавить кремний, и обладающие молекулярным составом, который не испортит его. Эта субстанция – чистый кварц.

Именно здесь в игру вступает кварц из Спрус Пайна. Это основной источник сырья в мире, необходимого для изготовления таких кварцевых тиглей. Пожар на одной из главных кварцевых фабрик в Спрус Пайне в 2008 году на какое-то время полностью прекратил поставки материала на мировой рынок, заставив тем самым переживать всю индустрию.

Сегодня одна компания доминирует в производстве кварца в Спрус Пайне. Unimim, основанная в 1970 году, со временем выкупила все шахты в городке и конкурентов, до сегодняшнего дня она является главным поставщиком чистейшего кварца.

Недавно компания Quartz Corp смогла урвать небольшую долю рынка Спрус Пайна. Есть несколько других мест, производящих высококачественный кварц. Тем не менее, на рынке доминирует Unimin.

Кварц для тиглей тоже должен быть практически полностью чистым. Первоначально кварц из Прус Пайна уже довольно чистый, затем его очищают при помощи упомянутой прежде флотации. Однако некоторые песчинки все еще могут быть загрязнены молекулами других минералов, прикрепленных к молекулам кварца.

Это очень огорчает. «Я изучал тысячи кварцевых образцов по всему миру. Практически все из них загрязнены, и это нельзя исправить», – утверждает Джон Шланц, ведущий инженер по обработке минералов в Исследовательской лаборатории минералов в Ашвилле, расположенного в часе езды от Спрус Пайна.

Испорченные крупинки используются для высококачественных пляжей и белых песчаных ям на полях для гольфа. Лучший кварц Спрус Пайна имеет открытую кристаллическую структуру, это означает, что прямо в молекулы кристалла можно ввести фтористоводородную кислоту, чтобы растворить любые следы полевого шпата или железа. Технологи же заходят еще дальше – они проводят реакцию кварца с хлором или соляной кислотой при высоких температурах, а затем подвергают его нескольким секретным шагам физической и химической обработки.

В результате получается то, что в Unimin называют Iota-кварцем – стандарт чистоты в индустрии. Обычный Iota-кварц на 99,998% – чистый диоксид кремния. Его используют для производства галогенных ламп и фотоэлементов, но этого все еще недостаточно для производства тиглей, в которых плавится кремний. Для этого вам необходим Iota-6 или Iota-8, чистый на 99,9992%. Цена за тонну Iota-8 составляет $10000. Для сравнения, обычный строительный песок стоит несколько долларов за тонну.

Фото: Kay Chernush/Getty Images

Под микроскопом песчинки Iota выглядят такими же чистыми, как стекло, и яркими, как бриллианты. Unimin продает этот ультрачистый кварцевый песок компаниям вроде General Electric, которые затем трансформируют его в нечто похожее на салатницу из молочного стекла – а именно тигель.

Поликремний помещают в эти тигли, плавят и начинают их вращать. Затем кристаллическую затравку кремния размером с карандаш опускают в раствор и начинают вращать тигли в обратном направлении. Из раствора медленно достают уже гигантский кристалл кремния. Эти темные, блестящие кристаллы, весом в 100 кг, называются инготы.

Инготы распиливаются на тонкие пластины. Некоторые продаются производителям солнечных батарей, чистейшие инготы – производителям процессоров вроде Intel.

Фото: Getty Images

Производитель чипов отпечатывает сетки транзисторов на пластине при помощи фотолитографии. Даже мельчайшая частица пыли может испортить сложную схему чипа, поэтому все это происходит в стерильном помещении, где воздух в тысячу раз чище, чем в операционной. Технологи одеты в белую униформу, закрывающую все тело. Чтобы удостовериться в том, что пластины не будут загрязнены во время производства, многие используемые инструменты, как и тигли, сделаны из чистейшего кварца.

Пластины затем разрезаются на мельчайшие, невероятно тонкие четырехугольные компьютерные чипы. Весь процесс требует сотни точных, тщательно контролируемых шагов. Чип – один из самых сложных предметов на Земле, произведенных человеком; в то же время, он сделан из обычного песка.

По оценкам, общее количество произведенного чистейшего кварца в год во всем мире составляет 30000 тонн. Только Unimin точно знает, сколько производится кварца в Спрус Пайне, но компания не публикует об этом отчеты. Эта организация славится своей скрытностью. «Спрус Пайн когда-то был городком для семейного бизнеса. Когда я здесь работал, можно было спокойно войти в любую шахту. Вы могли зайти к соседям и одолжить оборудование», – вспоминает Шланц.

Сегодня Unimin не позволяет даже персоналу Исследовательской лаборатории минералов проходить в шахты или на производство. Подрядчики, проводящие ремонтные работы, должны подписывать соглашение о неразглашении. По мере возможности компания разделяет работу среди нескольких разных подрядчиков для поддержания секретности.

По тем же причинам Unimin покупает оборудование у разных поставщиков. До Гловера доносились слухи о том, что на глаза подрядчиков надевают повязку, и они не могут ничего видеть, пока не прибудут на конкретную область на заводе, где должны работать. Он также слышал, как сотрудника компании сразу же уволили за то, что он провел кого-то внутрь без авторизации. Он утверждает, что компания не позволяет рабочим общаться с конкурентами.

Фото: Винс Бейсер

Лишь небольшая часть богатства, получаемая в Спрус Пайне, остается там. Сегодня всеми шахтами владеют иностранные корпорации. Большая часть производства автоматизирована, поэтому там не нужна рабочая сила. «В одну смену работают 25-30 человек вместо 300», – говорит Биддикс.

Средний годовой доход в округе Митчелл составляет $37000 – на $14000 ниже среднего годового дохода по стране. 20% населения округа живут за чертой бедности. На семь человек лишь один закончил университет.

Люди находят способы подработки. Гловер занимается выращиванием рождественских елок, Биддикс управляет веб-сайтом колледжа, расположенного по соседству.

Недавно в районе открылись несколько огромных центров обработки данных – это новый источник рабочих мест в округе. Большие компании привлекает дешевая земля. Google, Apple, Microsoft и другие технологические компании открыли здесь серверные фермы.

В каком-то смысле, кварц Спрус Пайна совершил полный цикл. «Когда ты говоришь с Siri, ты говоришь с соседним зданием», – говорит Биддикс.

Бейсер достает айфон и спрашивает Siri, знает ли она, откуда происходит ее мозг.

«Кто, я?» – отвечает она в первый раз. Он пробует снова.

«Я никогда об этом не думала», – говорит она.

Источник.


Материалы по теме:

Антиутопия в Китае – технологичное полицейское государство, какого мир еще не видел

Одинокая смерть в Японии: как работает сервис по ликвидации имущества умерших

«Я только спросить». Почему мы так одержимы очередями

Названы 30 городов, готовых к будущему лучше остальных


Актуальные материалы — в Telegram-канале @Rusbase

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter


Комментарии

  • Калинников Александр
    Калинников Александр 15:54, 14.08.2018
    0
    Хотелось бы сказать, что долю у Unimin, мирового лидера на рынке особо чистого кварца, смогла урвать в том числе и наша, российская компания, которая так и называется - "Русский кварц". Это один из наиболее успешных проектов РОСНАНО. Кстати, часть доли РОСНАНО была продана с хорошей доходностью японской корпорации Sumitomo несколько лет назад. "Русский кварц" использует месторождение около г. Кыштым в Челябинской области. Я достаточно долго занимался этим проектом в РОСНАНО. Был еще проект "Полярный кварц" при поддержке копрорации "Урал промышленный - Урал полярный" (дочерняя компания "Корпорации развития"). В том проекте, изначально обреченном на неудачу, возник и продолжается целый ряд судебных дел. В "Полярном кварце" неудачно засветилась пара других фондов. Еще пара комментариев: 1) Для солнечных модулей используется скорее не поликремний, а мульти- и или монокремний, в электронной промышленности - монокремний электронного качества. 2) Цена поликремния "солнечного качества" сейчас всего около $10 за кг, а не 20. "Электронное качество" стоит существенно дороже.
Зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии и получить доступ к Pipeline — социальной сети, соединяющей стартапы и инвесторов.
EMERGE
31 мая 2019
Ещё события


Telegram канал @rusbase