明知故问 | 全球沙子为什么不够用了？

在2021年初，人类社会的科技发展被一个问题打断：芯片不够用了。

去年末，汽车行业首先敲响警钟。大众在12月宣告，由于缺少汽车芯片，将在2021年第一季度遭遇大规模生产中断，预计总共减产10万辆汽车，宣告了汽车行业“芯片危机”的开始。陆陆续续地，日产、本田、奔驰、雷诺等也都报告了芯片问题。

这波芯片危机来势汹汹，迅速蔓延到了消费电子行业。

近期，苹果表示，由于芯片紧缺，部分高端iPhone的生产已经处于停滞状态。而就在刚刚，安卓芯片阵营的领头羊高通宣布，此前客户芯片订单要延期7个月才能交付。

7个月……众所周知，消费电子产品更新换代极为迅速，往往1年甚至半年就会推出新一代产品。等7个月，黄花菜都凉了。

通常情况下，消费电子领域需要的高端芯片利润较高。连这个领域都缺芯片，整个行业如何，可见一斑。

那么，全世界怎么一下子出现了这么一场危机呢?

首先是疫情的出现，打乱了全球经济秩序，芯片产业链的正常运转也被打乱。

其次，因为你懂的原因，华为进行了一波大规模囤货，一次运回了几千万芯片。这势必也影响了芯片代工厂，乃至上游晶圆制造等行业的生产计划。

还有一点，可能大多数人并没有意识到，那就是——全世界快要没有沙子用了。本期，前瞻经济学人“明知故问”栏目重点聚焦这个问题。

首先要了解，芯片其实是沙子做的。

沙子的成分主要是二氧化硅。沙子挖出后，送往晶圆制造厂，在2000℃的电弧炉中和碳进行反应，碳和氧结合，就剩下硅(sio2+2c=2co+si)。

将得到的硅与气态氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，就实现了提纯。这时候的高纯度多晶硅，纯度高达99.999999999%。

接着，将高纯度多晶硅放入高纯度石英坩埚，将多晶硅融化，形成液态的硅。然后以单晶的硅种和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起，等被拉起的液态硅凝固后，就形成了一根单晶硅柱。

把单晶硅柱切片，就成了制造芯片的基本原料——硅晶圆片，也叫晶圆或硅片。

将硅片进一步处理后，就可以在上面进行操作，通过光刻、蚀刻等方法刻出电路，再切成小片，就是我们见到的芯片。

当然，晶圆不只能用硅制造，目前的新潮流是使用新的化合物材料制作晶圆，包括第2代半导体材料GaAs和第3代半导体材料SiC、GaN。

只不过，“沙子”做的硅晶圆仍然是晶圆制造的主流选择，硅材料占比约为整个半导体市场的95%。

然而，早在2019年，全球顶级学术杂志《自然》就刊登文章《留给沙子的时间不多了》(Time is running out for sand)，对全球的沙子供应危机提出了警告。

文章称，全球每年约要使用320亿到500亿吨沙子，主要用于制造混凝土、玻璃和电子产品。这个用量已经超过了沙子自然恢复的速度，到本世纪中叶，沙子可能就不够用了。

实际上不用等到世纪中叶，就在这场新冠疫情期间，沙子稀缺已经导致了一场危机。

3月5月，《每日邮报》报道称，为了新冠疫苗的应用，未来2年全球将需要20亿支玻璃药瓶，想必玻璃是用沙子做的，这也是常识了。《华尔街日报》刊文警告称，玻璃小药瓶以及作为其制造原料的特种玻璃的短缺，将对新冠疫苗大规模量产行动构成阻碍。

联合国环境规划署认为，沙子短缺，将是“21世纪可持续性面临的重大挑战之一”。

可能很多人惊奇，沙子怎么会短缺呢，这东西不是遍地都是吗，起风的时候我眼睛里的是什么东西?然而事实确实如此。

就在《自然》文章发表的同年，央视进行了专题报道，报道了国内沙子市场供不应求的情况。

当年的湖北，已经有大量公共工程因为沙子不足而停工，私人使用更是要到村委会开证明。

重庆市城口县，500万吨砂石需求，市场供给仅160万吨左右，缺口超过60%。福建省相关部门测算，2019至2021年全省年均建设用砂预测约1.1亿立方米，缺口达75%。

这种情况充分反映在了沙子的价格上。

上世纪80年代，我国大部分地区的河沙价格仅2-3元/吨，2000年在10元/吨左右，2010年后河沙价格15元/吨左右。

而近几年沙子开始疯狂涨价，2019年，上海区域的湖砂市场价达到140元/吨。还有网友爆料，济宁的沙价一度快突破200元/吨。

部分地区沙子价格1年涨幅近1000%。

那么，“遍地都是”的沙子怎么就不够了呢?因为不是所有沙子都能用的。

沙子的来源包括沙漠、山沙、海沙、河沙。

其中，沙漠占地球陆地面积的30%，似乎有取之不尽的沙子可以用。然而，沙漠的沙子不好用。

首先，沙漠中的沙子是在干燥的环境中形成的，碱含量过高，稍稍受潮就会泛碱;其次，沙漠中的沙子基本都原地风化的产物，有害物质无法滤除，所含的有害成份比较多;最后，沙漠沙子颗粒过细，不符合国家对建筑用砂细度的要求。

海沙的问题在于盐。因为砂粒无法避免的存在微小缝隙、孔隙，这些孔缝里的盐分通过一两次脱盐是不可能除尽的，含盐的沙子氯离子超标，会腐蚀混凝土里的钢筋。水洗可以降低海沙氯离子含量，但这样操作会大量增加成本。

至于山沙，其表面粗糙，能够很好地附着水泥，这是它的优势。但是，山沙往往纯度不够，成分复杂，含有大量的泥土和其他杂质，提纯又增加了成本。

实际上，只有河沙是比较好用的沙子。

然而，挖河沙是一种对河流系统有严重威胁的行为。挖河沙会改变河床底面形态，进而改变河流的水文规律，会形成漩涡、回流等复杂的流动方式。

这些流体现象，会以影响沉积物的堆积，或造成沉积物被掏蚀的方式，进一步影响更大范围内的河床、堤坝、河心沙洲，从而影响河流的堤防安全、桥梁安全、航道安全。

因此，采挖河沙是国家严格控制的行为。

据建材行业人士反映，大概从2016年起，市场上的河沙供应减少，较好的货源都是掺着部分海沙的机制沙，从2018年开始，有的货源连海沙都不掺了，直接用建筑废料打成机制沙。到2019年，市面上开始出现黑色的沙子，也就是直接用石头打碎磨成的沙子。

我国建材涨价比较凶猛的3个年份——2008、2016、2018，也正是政府对治理环保特别下工夫的3个年份。

河沙不能用，其他沙子不好用，那未来如何保证沙子供应?

在《自然》文章中，提到了7个方面的举措：

1、保护可持续的沙子来源，例如格陵兰因冰盖减退而补充到海岸线上的沙子。联合国需要制定一个计划，就像管理林业一样。同时还要寻找不会损害河流的新的被动沙源，可能包括河漫滩中的沉积层，或者被水坝拦下来沉积的沙子。

2、地方和国家政府应鼓励更多地使用沙子的替代品，如碎石、工业炉渣和废物(包括铜、粉煤灰和铸造用砂)，还有再生塑料。后者可以嵌入道路、停车场的沥青中，减少沥青和骨料的需求。

3、沙子应尽可能重复使用。例如，建筑垃圾和混凝土可以粉碎并混合成水泥。碎石可用作建筑地基和道路的基层骨料，用于填充孔洞，也可用作人行道、花园、隔音屏障和路堤的砾石。还需要立法和控制混凝土的处理，对旧混凝土再利用提供财政激励。

4、减少新建筑所需的混凝土量也会减少对沙子的需求，这可以通过使用新材料(如空心混凝土块和印刷建筑板)来实现。应制定新材料质量的行业标准，出台相应法规的支持，强制使用。

5、应在地方利益相关者、非政府组织、行业、执法者和政府之间建立一个国际或多边框架来管理和控制采沙行为。作为第1步，环境署和世贸组织可以先制定全球性准则，确定哪些开采行为是可持续的，哪些是不可持续的。

6、政府、科学家和工业界必须宣传有关采沙问题的信息，包括与社会公平、包容性和性别有关的信息。这些信息必须涵盖所有部门——从学校到政策建议和媒体报道——而且必须涵盖解决问题的办法。

7、一个全球性的收集和分享数据方案，对于量化泥沙开采的位置和范围，以及世界河流中泥沙流量的自然变化至关重要。遥感技术很有希望。例如，重力恢复和气候实验(GRACE)的卫星数据可以揭示河流出口的泥沙排放率和出口到海洋的物质。