北京
这两年，大家最爱聊的话题之一，就是AI有多费电——
ChatGPT每回答一次问题，背后要烧掉2.9瓦时；
训练一个大模型，耗电量动辄以万千瓦时计。
于是，一个顺理成章的结论冒了出来：AI的尽头是能源。
但你可能想破头也猜不到，最先“卡住AI脖子”的，可能压根不是电，而是一种随处可见却常被忽视的东西——沙子。准确地说，是沙子中的“贵族”：半导体级高纯石英砂。
同样是沙子，身价却差了几万倍，这背后藏着怎样一道“门槛”？一起来看。
此沙非彼沙
建筑用沙，说白了就是硅酸盐颗粒大杂烩，一吨也就几十到几百块钱，二氧化硅含量有个90%出头就挺不错了。
但做芯片用高纯石英砂，二氧化硅纯度必须达到99.998%（4N8级）甚至99.999%（5N级）以上，而且还要把铝、铁、钙、镁等十三种“捣蛋元素”的总量压到百万分之一，甚至十亿分之一以下。这哪里是选沙子，简直比选美还苛刻。
石英矿脉
图片来源：pexels
更麻烦的是，自然界里的石英矿脉大多经过了数亿年的地质“洗礼”，里面塞满了微米级的气泡和矿物包裹体，富含水和各种金属离子。常规的磁选、浮选、重选对这些“陈年污垢”基本束手无策，好比用筛子去捞水里的墨汁。
想要达到半导体级硅要求的9N到11N纯度，必须动用高温氯化焙烧、氢氟酸浸出等“重口味”化学手段，技术门槛和成本都高得离谱。
从一粒沙到一枚芯片
高纯石英砂最重要的归宿是变成石英坩埚，也就是用来“拉”单晶硅棒的容器。直拉法工艺把提纯过的多晶硅放进坩埚，在1400℃以上的惰性气体里熔成汤，再用一颗小小的籽晶慢慢提拉、旋转，一层层长出单晶硅棒。这根棒子再经过切割、光刻等几百道工序，才最终变成驱动AI的芯片。
这口坩埚要直接和熔融硅“亲密接触”，内壁会缓慢溶解，向硅汤里释放出氧。适量的氧能帮忙吸除杂质；可要是坩埚里混进了碱金属或过渡金属之类的“害群之马”，它们就会在硅晶格里捣乱，形成复合中心，结果就是性能缩水、漏电，甚至直接报废。对AI芯片来说，这种缺陷就是“绝症”。
所以，这口“锅”干不干净，决定了芯片是优等生还是差生。
图片来源：作者供图
山河沃土撑起中国芯
AI芯片疯狂扩产，正在把这群挑剔的沙子逼上“紧缺榜”。平均每造一片12英寸的晶圆，就要消耗好几公斤高纯石英砂。随着逻辑芯片、高带宽存储和AI算力需求暴涨，全球半导体用高纯石英砂需求量从2023年的约6万吨一路飙到2025年的8万多吨。
中国的半导体级高纯石英砂起步晚，国产化率还不到15%，绝大部分靠进口。更让人捏汗的是，这种顶级沙子几乎被三家公司包圆：美国矽比科（矿源Spruce Pine）、挪威TQC和中国石英股份，三家联手占了全球九成以上的份额。其中美国Spruce Pine矿，因为规模大、杂质少，一度供给了全球90%以上的半导体级高纯石英砂，2009年BBC甚至称它为“地球上最具战略价值的平方英亩”。这么高度集中的供应链，随便来个出口管制或者天灾，就会引发全球的“砂荒”。
目前，中国是全球最大的高纯石英进口国，好矿源更是凤毛麟角。不过好消息也在路上：2025年4月，高纯石英矿正式被列为我国第174号新矿种；河南东秦岭、新疆阿勒泰等地相继发现了新的矿藏，部分样品已经能达到4N8级。国产替代正加速奔跑，但从“能做出来”到“够用不愁”，还有一段硬仗要打。
结语
我们总以为，高科技的“命门”一定是稀土、锂钴这些稀有金属。但现实最卡脖子的，往往不是元素稀有，而是我们对“纯净”有着近乎偏执的追求。
氧和硅明明是地壳里含量排名前两位的元素，遍地都是，可要把一吨二氧化硅里那几十亿个杂质原子一个个“揪”出去，这种提纯能力比钻石还金贵。
下次再听到有人吐槽AI费电，你不妨悠悠地补一句：那枚芯片通电之前，光是找到一撮够“干净”的沙子，就已经让全世界操碎了心。
作者：
孟令佳 北京工业大学物理与光电工程学院 讲师
杨旭东 北京工业大学物理与光电工程学院 高级实验师
刘敏蔷 北京工业大学物理与光电工程学院 教授
审核：刘颖 李培元 张超 杨柳
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