Суперсекретний пісок, який дає початок всім технологіям

Чи знаєте ви з якого матеріалу були виготовлені процесори у вашому смартфоні чи ноутбуку? Журналіст Вінс Бейсер (Vince Beiser) відправився в Східну Кароліну для того, щоб розповісти вам про кварц, який добувають в Аппалачах, який потім проходить ретельну обробку та використовуєтьсяу виготовленні чіпів.

Колишній геолог Гловер витратив десятки років на пошук цінних мінералів на Аппалачах, що розташовуються навколо маленького містечка Спрус Пайн в Східній Кароліні. Він пояснює чому цей віддалений район так важливий для всього світу.

Спрус Пайн — бідне містечко, в центрі якого знаходиться залізничний вокзал, закритий кінотеатр та декілька порожніх магазинів. В горах, які оточують його лежить справжній скарб у вигляді різних мінералів. Спрус Пайн — справжнє родовище найчистішого природного кварцу, який коли-небудь був знайдений на планеті. Це непримітне містечко грає ключову роль у виробництві кремнію, який використовується для виготовлення комп’ютерних чіпів. Отже, чіп, який є вшитим у вашому комп’ютері та телефоні цілком ймовірно був зроблений із піску Аппалачів. «На цьому місці заробляють мільярди доларів. Хоча з першого погляду так і не скажеш» – дивується Гловер.

В наш час пісок став дуже важливим ресурсом, ніж коли-небудь раніше. Ми живимо в цифровому столітті, коли наша робота, розваги, засоби спілкування об’єднані комп’ютерами, планшетами, телефонами, інтернетом тощо. Все це виготовлено з піску.

Більшість піщинок на Землі складаються з кварцу, який, в свою чергу, є формою діоксиду кремнію. Чисті частинки діоксиду кремнію — це матеріал, з якого виготовляють комп’ютерні компоненти. Оптоволокно та інші компоненти, без якого функціонування інтернету неможливо також виготовлене з цього матеріалу. Кварцу, який використовують для даних продуктів потрібно не так і багато у порівнянні з тим скільки потрібно цього матеріалу для того ж бетону або для намиву територій, але його необхідність неоцінима.

Ресурсне багатство Спрус Пайна — це результат геологічної історії цього місця. Біля 380 мільйонів років назад район знаходився на південній частині екватору. Тектонічний рух плит зсунув Африканський континент у бік східної Америки, видавивши при цьому важку океанічну кору — геологічний шар під водою океану.  Таке тертя спричинило великі температури, які сягали 1000 градусів зае Цельсієм та плавило каміння, що лежало на 14-24 км нижче поверхні. Через високий тиск це каміння потрапило у тріщини породи, у зв’язку з чим були сформовані так звані пегматити.

Каміння, яке розплавилося кристалізувалося через 100 мільйонів років. Завдяки глибині, на якій воно лежало та відсутності води, утворились пегматити практично без добавок. Загальний вміст породи становив: 65% – польові шпати, 25% – кварц, 8% – слюда та 2% – інші матеріали. Через 300 мільйонів років плита під Апалаччами просунулось уверх. Зсуви та дощі руйнували гору, поки тверді пегматити не вийшли на поверхню.

Корінні американці добували слюду та використовували її у виготовленні прикрас для надгробних плит та як валюту. Американські поселенці почали вибиратися в гори в XIX столітті, відкриваючи там ферми. Декотрі з них намагалися вести бізнес на слюді, проте гори їм заважали.

«Не було ні доріг, ні рік, ні потягів. А чимось же треба було перевезти товар? Вибирали кінний транспорт» – розповідає історик Девід Біддікс (David Biddix). Девід вже написав декілька книг про округ Мітчел, де знаходиться містечко Спрус Пайн.

Ситуація стала покращуватися в 1903 році, коли в горах побудували залізничну дорогу. Нарешті було встановлено зв’язок з іншими поселеннями, видобування корисних копалин стало прибутковою справою. Тут же почали будуватися безліч шахт, стали розростатися і інші поселення.

В наш час слюда використовується у виготовленні косметики, герметичних матеріалів та гіпсокартону. За часів Другої Світової війни стала набирати популярність на польові шпати, що знаходилися в районі великого скупчення пегматитів. Спрус Пайн нарешті став розвиватися як має розвиватися містечко, яке є багатим на корисні копалини. Було відкрито одразу три кінотеатри, два басейни, багато ресторанів та боулінг-клуб. Кожного дня тут проїжджали три пасажирських потяги, які з’єднували містечко із зовнішнім світом.

Команда вчених із Tennessee Valley Authority вивчала місцевість та мінеральні ресурси Спрус Пайна. Найбільше їх цікавили мінерали, які приносять найбільший дохід — слюда та польовий шпат. Проблема була лише в тому, що їх було складно відділити один від одного. Шматок пегматиту виглядав так, ніби то був шматок дивної по консистенції карамелі. За кольором він ділився на два види: рожевий та молочно-білий. Всередині шпату знаходилась блискуча слюда із димчастим кварцем, залита у різних місцях кольоровими мінералами.

На протязі багатьох років місцеві викопували пегматіти, розбивали їх підручними інструментами, вручну виділяючи шпат та слюду. Кварц вважався відходом, який майже ніхто не використовував, та його викидали з іншими мінералами.

Досліджуючи мінерали при Університеті Східної Кароліни, вчені TVA винайшли свій метод відділення мінералів — флотаційний метод, що призвело до фурору в видобувній сфері. З сімейного бізнесу це перетворилося на гігантську корпоративну індустрію.

Згідно новому методу, камінь пропускався через механічну дробилку до тих пір, поки не перетворювався на кучу змішаних мінеральних гранул. Ця вся суміш виливалась в бак, додавалась вода, при перемішці це все перетворювалось в молочну суспензію. Потім додавалися реагенти — хімікати, що з’єднувались з частками слюди. Далі через цей домішок часток з водою пропускали дрібні повітряні бульбашки. Слюда виділяється з ними у складі трьох фазної піни. Наступний крок — згущення та фільтрація піни. Таким чином можна було виділити слюду. Польовий шпат, кварц та залізо, які залишилися, збиралися із бака та переносилися в інший, де проходила схожа процедура відділення.

Що цікаво, то саме польовий шпат привернув увагу дослідників із Corning Glass Company в Спрус Пайн. У ті часи ніхто не підозрював, що кварц можна якось використовувати та викидали його до відходів. Проте, інженери, що досліджували виробництво скла помітили чистоту кварцу та почали масово скуповувати його та перевозити потягом до Нью-Йорку, де з кварцу можливо було виготовити все — від вікон до пляшок для пива.

В 1930-х роках було зроблено одне з найвидатніших досягнень кварцу з Аппалачів. Тоді Corning Glass Company виграла контракт на виробництво дзеркала на замовлення Паломарської обсерваторії в Південній Каліфорнії для найбільшого телескопа у світі. Для виготовлення дзеркала вагою 20 тонн потрібно було розплавити цілу гору кварцу під температурою 1500 градусів по Цельсію у великій печі. Девід Окс Вудбері (David O. Woodbury) розповідав про цю технологію в книзі під назвою «Скляний гігант Паломару».

Телескоп, який виготовила Corning Glass Company був встановлений 1947 року. Він був настільки потужний, що завдяки ньому були зроблені важливі відкриття на тему розміру Всесвіту та складу зірок. Він працює до сьогодні та майже нічим не поступається сучасним телескопам.

Але зірковий час кварцу зі Спрус Пайну ще попереду!

В середині 1950-х почалась історія винаходу, що невдовзі спричинить революцію у комп’ютерній індустрії. Над цим винаходом крапотіли інженери з Каліфорнії. Уільям Шоклі (William Shockley), перспективний інженер, покинув компанію BellLabs для того, щоб створити свою компанію в маленькому містечку Маунтін-В’ю, що розташувався в годині їзди від його рідного Сан-Франциско. Неподалік знаходилися компанії General Electric та IBM разом зі Стенфордським університетом. Ця місцевість не мала нічого цікавого в собі. Зараз же її називають Силіконовою долиною.

Уільям Шоклі

Ринок транзисторів тоді розвивався шаленими темпами. Texas Instruments та Motorola конкурували між собою в створенні мініатюрних та більш ефективних транзисторів, які б мали використовувати в комп’ютерах. Під час Другої Світової війни було випущено модель американського комп’ютера ЕНІАК. За розміром він був ширшим 30 метрів та сягав 3 метри у висоту. Працював ЕНІАК від 18 тис. вакуумних трубок.

Транзистори, які могли контролювати потік електричного струму замінили труби та зробили нові машини більш потужнішими. Напівпровідники — невеликий клас елементів, що містить германій та кремній. Вони проводять електричний струм при певній температурі й блокують його при іншій температурі.

Шоклі створив стартап за участю молодих докторів наук. Їх ранок починався з того, що вони розпалювали печі до тисячі градусів за Цельсієм та плавили германій та кремній. Кремній виявився більш гнучким матеріалом.

«Оскільки Шоклі відкрив першу та найвідомішу компанію по дослідженню та виробництву напівпровідників, всі, хто працював з германієм переходили на кремній. Якби не Шоклі, зараз би існувала не Кремнієва, а Германієва долина», пише в своїй книжці «Зламаний геній» письменник Джоел Шеркін (Joel Shurkin).

Шоклі був поганим начальником, але він був генієм у своїй справі. Деякі талановиті інженери не змогли працювати з ним в команді та звільнялися. Один за таких працівників — Роберт Нойс (Robert Noyce) став знаменитий завдяки великому досвіду роботи з транзисторами після звільнення зробив свою компанію — Fairchild Semiconductor.

В 1959 році Нойс здійснив справжній прорив та разом з колегами придумав метод збору транзисторів на одному шматочку чистого кремнію розміром з ніготь людини. Водночас компанія Texas Instruments випускає подібний пристрій з германію. Проте конкуренцію з Нойсом Texas Instruments не витримала і продукт Роберта Нойса набирав все більшого попиту на ринку. Пристрій і справді був більш ефективним. NASA використали мікрочип Fairchild в своїй космічній програмі і його продажі за рік виросли до $130 мільйонів. В 1968 році Роберт Нойс заснував свою технологічну компанію, яка зараз має назву Intel.

Перший комерційний чіп від Intel мав 2250 транзисторів. Його випустили 1971 року. Сьогоднішні комп’ютерні процесори мають мільярди транзисторів. Ці маленькі електронні квадратики виступають свого роду мозком для всієї ІТ-індустрії. Саме завдяки ньому функціонує інтернет та весь сучасний технологічний світ. Наші гаджети — це теж наслідок того, що заснував Intel.

Такі сервіси як Apple, Amazon, Microsoft, Google, Facebook та інші подібні компанії, величезні організації починаючи від Пентагону, закінчуючи електронною версією вашого банку — все це бере свій початок з піску, які переробили у кремнієві чіпи. Для того, щоб виготовити такий чіп, потрібен лише чистий кремній. Будь-який домішок може все зіпсувати.

Насправді, кремній — не такий вже рідкісний елемент у природі. Його доволі багато. Проте, проблема в тому, що він в природі трапляється не одразу чистим, а розділення і очищення кремнію від всіляких домішок потребує часу та значних зусиль.

Спочатку беруть кварцевий пісок, що використовується для скла. Потім кварц кладуть в потужну електричну піч, за допомогою якої відділяють велику частину кисню. Внаслідок цього утворюється кремнієвий метал. Це майже чистий кремній. Проте, навіть такий стан кремнію недостатній для високотехнологічних цілей. Наприклад кремній для сонячних батарей має бути на 99,999999% чистим. Для комп’ютерних чіпів потрібен показник 99,99999999999% кремнію.

Для того, щоб досягти такий рівень чистоти кремнію, метал потрібно підвернути багатьом хімічним процесам. Спочатку кремнієвий метал розбивається на два з’єднання — хлорид кремнію та трихлорсилан, який оброблюється далі, щоби стати полікремнієм — чистою формою кремнію, що буде виступати ключовим інгредієнтом у виготовленні сонячних батарей та комп’ютерних чіпів.

Ціна матеріалу росте з кожним кроком обробки матеріалу. Так 99% кремній коштує 1 долар за 500 грамів, а полікремній вартує в десять раз більше. Але це ще не кінець.

Далі необхідно полікремній відправляти на розтоплення. Проте розтоплення його виконують не в печі. Якщо розплавлений кремній вступить в хімічну реакцію зі стороннім елементом, це може закінчитися не надто добре для нього. Тут потрібні тіглі, які будуть зроблені зі спеціальної субстанції, що витримає необхідну температуру для того, щоб розплавити кремній. Така субстанція, яка вийде в кінцевому результаті — чистий кварц.

Саме на цьому етапі велику роль грає кварц зі Спрус Пайна. Це основне джерело для виготовлення таких кварцевих тиглів. У 2008 році сталась пожежа на одній із кварцевих фабрик в Східній Кароліні. На якийсь період постачальники матеріалу зупинили експорт. Тоді ця подія сколихнула практично всю світову технологічну індустрію.

Сьогодні лише одна компанія монополізувала ринок кварцу в Спрус Пайні. Заснована у 1970 році Unimim викупила всі шахти в цьому містечку. Ця компанія є головним постачальником чистого кварцу.

Проте конкуренція на світовому ІТ ринку не спить. Компанія Quartz Corp змогла трохи потіснити Unimim. Зараз розвиваються й інші компанії, які спеціалізуються на виготовлені найчистішого кварцу. Проте Unimim досі лідирує на цьому ринку.

Кварц для тиглів теж має бути чистим, абсолютно чистим! Кварц, який експортують зі Прус Пайна вже майже чистий, але все ж його піддають подальшому очищенню за допомогою флотації, яка згадувалась вже раніше. Проте, деякі піщинки кварцу можуть перемішатися з молекулами інших мінералів. Тому все потрібно дуже ретельно все перевірити по декілька разів. Це насправді засмучує.

«Я вивчав сотні й тисячі кварцевих зразків по всьому світу. Майже всі з них не являються повністю чистими, це не можна виправити» – розповідає провідний фахівець з обробки мінералів із лабораторії мінералів в Ашвіллі Джон Шланц (John Schlanz).

Піщинки, які вже встигли «забруднитися» використовуються для високоякісних пляжів та піщаних ямок для гольфу. Як вже зазначалось раніше, кращий кварц зі Спрус Пайна має відкриту кристалічну структуру. Тобто, прямо в молекули кристалу можна ввести кислоту із фтором для того, щоб розчинити будь-які ознаки заліза чи польового шпату. Технології не стоять на місці. Нещодавно провели реакцію кварцу з хлором та соляною кислотою при високій температурі, а потім ця субстанція пройшла деяку фізичну та хімічну обробку. В результаті з’явився Iota-кварц.

Саме так назвав цей тип кварцу монополіст Unimin. Iota-кварц являється стандартом чистоти в індустрії видобутку корисних копалин. Частка діоксиду кварцу в даному випадку становить 99,998%. Такий вид кварцу використовують для виготовлення галогенних ламп та фотоелементів. Проте, такого проценту диоксиду кварцу все ще недостатньо для виготовлення тиглів, в яких плавиться найчистіший матеріал. Для таких цілей потрібно найчистіші Iota-6 або Iota-8, які являються чистими на 99,9992%. Ціна за тонну Iota-8 складає $10000. Для порівняння, звичайний пісок коштує лише декілька доларів за тонну.

Якщо досліджувати піщинки Iota під мікроскопом, то вони виявляться такими ж чистими як скло та такі ж яскравими як діаманти. Unimin продає цей надчистий пісок таким компаніям як General Electric, які згодом трансформують його у своєрідну «салатницю» з молочного скла, що, у свою чергу, являється тиглем. Полікремній поміщають в ці тиглі, плавлять та починають їх обертати.

Плавлення полікремнію в кварцевому тиглі

Кристалічну затравку розміром в олівець опускають в розчин та починають обертати тиглі в зворотному напрямку. З розчину обережно дістають великий кристал кремнію. Такі темні блискучі кристали, які важать 100 кг називаються інготи.

Інготи розпилюються на тонкі платини. Деякі з них продаються виробникам сонячних батарей. Інготи, які мають великий відсоток чистоти продаються виробникам процесорів, таким компаніям, як той же Intel.

Ігноти

Виробники чіпів видруковують сітки транзисторів на пластині за допомогою фотолітографії. Така технологія не прощає помилок. Навіть маленька частинка сторонньої матерії може зіпсувати складну схему пристрою. Тому вся процедура проводиться в стерильному приміщенні, стерильнішому за операційну в декілька разів. Технологи, як і лікарі, одягнені в білу форму на все тіло. Щоб ще раз впевнитися, що пластини не знаходяться під загрозою забруднення, багато інструментів, як і тиглі, зроблені з найчистішого кварцу.

Пластини розрізаються на мікроскопічні, надтонкі прямокутні комп’ютерні чіпи. Весь процес потребує точних та ретельно продуманих кроків. Виготовлення чіпу — це найретельніша праця, яку коли-небудь знало людство. Аж не віриться, що такий маленький предмет зроблений всього лише з піску.

За статистикою, кількість виробленого надчистого кварцу по всьому світу сягає 30000 тонн на рік. Проте Unimin не називає конкретних чисел та не відчитується перед всіма. Цю компанію можна назвати навіть секретною.

«Згадую той час, коли Спрус Пайн був осередком для ведення сімейного бізнесу. Тоді не складало ніякої проблеми увійти у будь-яку шахту. Ви могли зайти до сусідів та позичити будь-який інструмент» – каже Шланц.

Зараз Unimin ввели дуже жорсткі правила секретності навіть для персоналу дослідницької лабораторії мінералів та забороняє їм проходити до шахти або на виробництво. Всі робітники Спрус Пайну, що проводять ремонтні роботи, змушені підписувати акт про нерозголошення конфіденційної інформації. Компанія ретельно займається розподілом обов’язків серед декількох підрядників для збереження секретності.

Крім цього, Unimin користується послугами декількох постачальників. Доходить навіть до того, що на очі підрядників одягають темну пов’язку, аби вони не змогли нічого побачити на шляху до заводу, де повинні працювати. Гловер чув, що співробітника компанії звільнили за те, що той привів свого знайомого на роботу без відома начальства.

Так чому містечко Спрус Пайн занепало? Лише мала частина скарбів, добутих в ньому залишається там, адже шахтами володіють іноземні компанії, а частина виробництва автоматизована. Робоча сила залишається на мінімумі. «За одну зміну працюють до 30 чоловік замість 300» – каже Біддікс.

Середній дохід за рік в окрузі Мітчелл сягає $37000. Це на $14000 нижче середнього рівня за рік по всій Америці. Для статистики, 20% населення тут живуть за межею бідності. Лише кожний сьомий з місцевого населення отримав вищу освіту.

Люди все ж знаходять способи для того, щоб заробити гроші. Гловер займається вирощуванням ялинок, які потім розпродує на Новий рік. Біддікс керує веб-сайтом коледжу, який розташований неподалік нього.

Але все ж надія на робочі місця є. Нещодавно тут відкрилися декілька великих центрів обробки інформаційних даних. Великі компанії приходять на дешеву землю. Такі величезні компанії як Google, Apple та Microsoft відкрили тут серверні ферми.

В якомусь розумінні, кварц Спрус Пайн вижив себе. «Коли ти розмовляєш зі штучним інтелектом свого телефону, ти розмовляєш із сусідньою будівлею» – говорить про це Біддікс.

Бейсер дістає айфон та запитує у Siri, чи знає вона, хто подарував їй розум?

«Хто, я? Я ніколи про це не думала» – відповідає здивовано Siri, зрозумівши питання лише з другого разу.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: Wired