第三章 最漫長的旅途

自然界有許多不凡的旅程。歐洲鰻魚（European eel）不辭千里、神秘地遷往馬尾藻海（Sargasso Sea）；北極燕鷗（Arctic tern）每年往返南、北兩極，用畢生時間完成一百五十萬哩旅程；帝王鮭（king salmon）逆流而上數百哩，掙扎著躍過瀑布，衝入激流。

穿越原料世界的旅程同樣令人感嘆，特別是從時間的維度。以微不足道的一粒石英砂礫為例。歷經千百萬年，甚至幾十億年時間洗禮，它曾是岩石，之後成為顆粒，然後又成為岩石；它埋在地底，經過億萬年地表擠壓、成石，然後或因河水浸蝕或因風蝕，重見天日。它捲入激流，沖刷而下，形成河口與灘頭，在浪濤中奔騰、翻滾，撞擊、擠壓，回復岩石面貌。冰河將它磨碎，歪歪倒倒穿過水渠與瀑布，這粒砂躺平在河床上，直等到被拾起，週而復始展開又一趟旅程。

一般認為，所有的石英砂礫大約半數都經歷六次這樣的週期，從岩石變成砂，再回復為岩石。岩石或許因年深久遠而磨損，但砂礫依舊，繼續未竟之旅。或許這是原料世界第二個最了不起的旅程。

為什麼只是第二個？因為這趟旅程雖說高潮迭起，與另一史詩級探險之旅相形之下，卻只能算是小巫見大巫。我們的史詩級探險之旅以一片從地表開採的岩石為開端，經過一番改頭換面，成為世上科技最先進的機具，最後走進你的衣袋。這趟旅程帶著它在地球繞兩、三圈，或許更多圈；它跨越大洲、穿梭時空，還引領我們深入化學、物理與奈米科技的最前沿，涉及的程式新到不可思議，讓人彷彿置身科幻故事中。不過可別搞錯了：它正以巨型規模在真實世界每天不斷地上演，因為這趟原料世界最長的史詩級旅程，就是將矽變成矽晶片的供應鏈。

所謂晶片帶動現代世界運轉的說法，就目前看來很有道理。每個人都知道晶片代表我們電腦與智慧手機的腦，但它們究竟有多「潮」？知道的人卻寥寥無幾。它們無所不在。你手機的主處理器只是幾十種各式晶片中的一種，每種晶片各有其功能。一輛現代汽車可能有好幾百個晶片：有負責娛樂系統、導航的晶片，有控制引擎、車窗等等的晶片。甚至在名目上沒有「智慧」字樣的裝置裡，機械性連結也早已為一種半導體網路所取代。晶片不僅只是我們這個世界的腦，甚或神經系統，而且還逐漸成為它的筋骨、血脈與感覺器官。幾近每一項經濟活動，全球ＧＤＰ的幾近每一塊錢，都經由一種或另一種方式仰賴半導體這個微型開關。

瞥一眼這類純矽晶圓電路，你可能很難聯想到眼前這片閃閃發光的金屬似物體，竟然是矽：砂、石或混凝土裡的主要成分。但矽之所以神奇，不僅因為它有可以做成玻璃的獨特屬性；不僅因為它能製作堅實的混凝土、撐起建築物；它還擁有電氣屬性，使它與週期表上大多數其他元素都不相同，因為它是一種半導體。

半導體是讓科學家困擾了幾十年的一種特殊材料。它們不能像銅一樣導電，但也不像玻璃一樣絕緣。起先沒有人知道該怎麼運用它們，直到科學家終於發現用以製作開關非常理想。一九四七年聖誕節前兩天，在威廉．蕭克利（William Shockley）的領導下，兩位科學家華特．布拉坦（Walter Brattain）與約翰．巴丁（John Bardeen）在美國的貝爾實驗室發明瞭第一個這樣的開關（或稱電晶體）。當你今天見到它（華府史密森尼博物館〔Smithsonian Museum〕有個它的複製品），會覺得它看起來很簡陋，像一次搞砸了的焊接實驗。這個開關裝在一個塑膠玻璃罩裡：一堆糾纏的電線插在一個楔形塑膠塊上，而這一切都架在一塊看起來髒兮兮的暗色金屬上──這個複製品用的是鍺（germanium）金屬。

但這第一個固態開關代表一場革命。因為，這每一個開關都是一個小小的、零或一的兩進位程式碼的物理呈現，只要結合夠多這類開關，你就可以把一小片矽晶圓做成電腦。這類躍進式創新：從開關本身到由羅伯．諾伊斯（Robert Noyce）於一九五九年在快捷半導體（Fairchild Semiconductor，俗稱快捷半導體）用矽晶圓開發出的世上第一個積體電路（integrated circuit），為電腦時代奠定了物理基礎。

在這裡，「物理」一詞很重要。有時創新是純腦力的成果。約翰．凱伊（John Kay）在一七三三年發明飛梭，為羊毛編織產業帶來革命性進展。但誠如史學家安東．郝維斯（Anton Howes）所說，沒有理由證明飛梭不能提早幾千年發明。但在構想成為實際可行的新發明以前，往往需要幾十年、或幾百年的材料進展。李奧納多．達文西畫的直升機草圖就是這樣的例子。在材料進展趕上腳步以前，達文西的直升機構想不可能成真。電腦也是。早在電晶體發明一個多世紀前，愛達．羅夫萊（Ada Lovelace）與查爾斯．巴貝吉（Charles Babbage）已經有電腦的概念了。從一九四○年代起，出現了用玻璃真空管擔任開關角色的電腦，但長久以來，固態開關始終是科學家努力的目標。比玻璃真空管開關更有效、可靠、不佔空間，而且除了在開關之間無聲穿梭的電子，沒有移動零件──電晶體就是揭開現代電腦新時代的材料進展。今天，最新型智慧型手機與裝置，最新型汽車與冰箱都得仰仗這種東西──這種在小小的矽薄片上「塗」（一種化學溶合形式）上各種其他材質，刻上一套微型電晶體而製成的東西。 [1]

一九四七年問世的第一個開關裝置，約有幼兒手臂一般大，但真正重要的電晶體本身大約是一公分。現在讓我們看看之後七十五年的進展。當英特爾（Intel）於一九七一年推出第一款現代電腦晶片「Intel 4004」，同樣大小的晶片擠了略多於兩千個電晶體，每個電晶體約有一滴紅血球大小。到了二○二○年代初期，智慧型手機處理器可以在略小於一平方公分的面積內植入約一百二十億個電晶體。

英特爾共同創辦人高登．摩爾（Gordon Moore）在一九六○年代說，積體電路板上的元件將成倍數不斷增加──電腦業界對增加積體電路板上元件的痴迷，讓這句名言坐實成一種形式。而且這場現代奇觀之一的晶片大賽是一場良性競爭，電晶體愈小，效果也愈好：它們（別忘了，每一個電晶體基本上只是一個電開關）可以更迅速、節電地又一次開開關關。

電腦晶片用途極廣：最簡單的晶片可以像開關一樣，開啟或關閉車頭燈。你或許沒想到身邊竟有這麼多這種「動力矽」晶片：但從吹風機、吸塵器，到你的電話線，每一件現代電子產品都少不了它們。半導體無所不在：智慧手機裡就有許多各型別半導體，有些作為攝影感應器，還有些貯存你的家人照片。但最可觀的是那些作為裝置頭腦的晶片，這類晶片上的電晶體愈多，帶給你的運算能力愈強，電腦功能也愈強。最新型的這類晶片能在一個大小與句點相仿的裝置內，裝上大約一千五百萬個電晶體。今天智慧手機內的電晶體，不僅比一滴紅血球小（小了約一千倍）；甚至比新冠肺炎病毒都小。事實上，你可以將四顆電晶體植入一個新冠病毒株，每一個電晶體的大小約與病毒株表面的蛋白刺突相當，電晶體的棒狀捲鬚則從中心幅射而出。

將這種特性歸類為「微觀」是人之常情，但這麼做略嫌迂腐。今天的電晶體比可見光的波長還要小，因此就算透過最強力的傳統顯微鏡，用肉眼仍然完全看不見。它們的量度單位不是「微米」（micrometre）而是「奈米」（nanometre）。根據英特爾的推算，今天的我們距離「埃米世代」（Angstrom era）事實上只有區區幾個晶片世代之差（每隔兩年就有一種更小的新世代晶片問世）。在「埃米世代」，電晶體的量度單位是埃米，一個埃米等於○．一奈米，即 0.00000001 公分。供你參考：一顆矽原子只比五埃米略長一點。

這絕對是令人瞠目結舌的科技發展，但放眼今日世界，為此瞠目結舌的人似乎不多，或許一個原因是這些晶片都藏在日常用品內部深處、我們看不見的地方。也或許因為它們與過去的經典工藝產品不同──以七十年代的協和號（Concorde）噴射機為例，由於票價過於高昂，只有最有錢的人才能搭乘這種飛機享受超音速飛行經驗；但幾乎每個人都能享用晶片帶來的好處，就連開發中世界的窮苦大眾也不例外。或許，矽谷在這場原料世界競賽中逐漸為人淡忘的原因是，這些日子以來，矽谷已不再生產矽晶片了。矽谷最後一家大型半導體製造廠已於十五年前關閉。今天的矽谷仍有幾家專精半導體設計的公司，但投入軟體開發：應用程式、平臺與服務……的業者比它們多得多。

所以，如果想了解這趟世上最了不起的旅程，你必須另尋一個完全不同的地方。我們且假設你運氣好，買到一支最新的蘋果 iPhone（這裡只是用 iPhone 舉例，實際上，無論你用 iPhone 或用最新版 Android 手機，對這趟即將展開的旅程而言都一樣，因為 iPhone 或 Android 使用的半導體往往來自同一家工廠）。檢視手機包裝說明。它會說，它在加州設計，在中國組裝。這太過簡化了，因為這臺小小電腦是結合全球各地科技集大成之作。它的螢幕、玻璃面板、電池、鏡頭、加速感測器、資料機與收發器、貯存與電源管理晶片等等皆來自不同工廠，只是最後在中國組裝，然後運到你手中。

這些元件大多不會在中國或加州製造。事實上，在這個階段值得注意的是，這支手機的實體零元件幾乎都不是蘋果自己做的。蘋果其實不是一家製造商，而是一家將其他人的科技進行再包裝的傑出公司。即使是掛上蘋果名號的晶片──在寫作的此時，最新的 iPhone 晶片是 A16 Bionic──實際上也是通稱「臺積電」的臺灣積體電路製造公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, TSMC）的產品；而臺積電又全靠另一家更名不見經傳的業者艾司摩爾（ＡＳＭＬ）生產的機器才能製作出這些晶片。而艾司摩爾生產的這些機器，關鍵性元件又來自其他公司，其中有知名業者（例如蔡斯的鏡片、蕭特的玻璃），也有一些較不知名的公司，例如德國公司創浦（Trumpf）的雷射。

以上這些活動只是這趟旅程的一小部分──它只是矽原子在進入你的智慧型手機以前的最後一段旅途。想要了解全程，我們應該以電腦晶片使用的矽出土一刻為首站，不能先參觀裝配廠，或負責電晶體蝕刻的晶圓廠。這趟旅程的起點不是找不到一粒塵埃的製造廠，而是一處髒亂不堪，又是煙、又是火的地方。

矽晶片的誕生

我們走在西班牙加利西亞省（Galicia）聖地牙哥繁星之原（Santiago de Compostela）南方約十五哩一處森林內塵土飛揚的石徑上。每年總有超過二十五萬來自全球各地的朝聖者前來，參觀聖地牙哥天主堂的使徒聖雅各（St James the Apostle）古墓。

石徑兩邊山丘一片鬱鬱蔥蔥，幾座中世紀修道院與漂亮的石造村舍點綴其間。早晨的雲彩總是懶洋洋地低懸山谷，讓其上的山頂彷彿飄掛在半空。這些山丘中最有名的首推沙克洛峰（Pico Sacro）：皮柯．沙克洛是一座突出地表的巖層，金字塔似的矗立在肥沃平野上，幾哩以外就能見到。

本地人有幾則有關這座石山的神話故事。其中一則說，兩名使徒抬著聖雅各的遺體來到聖地牙哥，找上神話中當地的統治者魯帕女王（Queen Lupa），希望女王賜給他們一輛車，幫他們載運遺體。狡詐的魯帕女王騙他們上沙克洛峰，因為她知道山裡有一條龍，希望龍能把他們都吃了。兩名使徒上了山，惡龍果然出現，但不敵使徒畫出十字架符號而立即潰敗。另一則說法是，兩名使徒原本計畫把聖雅各的遺體葬在沙克洛峰山頂，但惡龍出現，迫使他們臨時改變計畫。

有關沙克洛峰如何成形的地質學解釋同樣令人稱奇。約三億五千萬年前，這裡是勞亞大陸（Laurasia）與岡瓦納大陸（Gondwana）兩個超級大陸塊撞擊的地方，陸塊撞擊擠壓、地表隆起，造成一座數百公尺高的石英石巖山。走上沙克洛峰，你可以在花崗巖邊見到白色石英石；俯瞰山谷，沿著高速鐵路，你會見到另一樣東西：青蔥綠野與山邊叢林中有一條長長的深溝，映著陽光，熠熠生輝，有如白雪覆蓋的雪原。順著石徑穿過那片森林，你會見到一座寫著「塞拉保」（Serrabal）的路牌。

早在進入礦區之前很久，你已經可以聽到卡車載著礦石、鏗鏘作響駛過的聲音，但直到進入塞拉保之後，你才知道那耀眼的一帶雪原究竟是什麼：它是一座巨型採石場。塞拉保是一處石英礦。將沙克洛峰與附近小丘舉向半空的巖脈，是全世界已知最純的石英礦藏之一，這裡開採的石英異常潔白，是全球各地爭相取用的珍品。

塞拉保石英有時用來製作廚房料理臺，有時打磨成碎石與白砂，用來裝飾花園與高爾夫球場沙坑，不過我們來這裡真正要看的，是來自山邊較大塊的石英。經過幾個月，或更可能的是經過幾年工夫，這些灰濛濛的白色巨石將從原物料華麗轉身，成為新一代的矽晶片。這裡才是我們這趟史詩級探險的起點。

塞拉保採石場的主人「全球費洛」（Ferroglobe）集團是一家西班牙公司，是除中國以外全球最大的金屬矽生產商。「除中國以外」這幾個字特別重要，是因為近年來，發動這場科技革命需用的原料絕大多數在中國開採、在中國精煉，而在美國、加拿大與南非都有石英礦的全球費洛，是少數的例外。

你在這裡看到的石英岩並不多見，但也不是非常罕見。挪威、俄羅斯、中國、土耳其與埃及境內也有石英岩脈。聽起來或許令人不解的是，塞拉保採石場採出的石英儘管白得像雪，矽含量卻比洛哈林、楓丹白露與其他許多採砂場採的砂略遜一籌。但矽含量並非一切；如果你要製造金屬矽，礦石的形狀遠比矽含量更重要。事實上，我們來這裡找的不是砂──至少不是「伍登－溫渥斯分級」所謂的砂。我們找的是一種比較大、像曲棍球般大小的礫石。

從地下炸出來、洗淨、裝進貨車以後，塞拉保礦石會經過一小時左右車程，運往北邊拉科魯尼亞（A Coruña）港埠外一處名叫薩邦（Sabón）的工業園區。薩邦有一套厚重的藍色瓦楞箱狀鐵皮屋與倉房，廠區入口有座屬於某天然氣發電站的巨型煙囪。全球費洛這座處理廠與一家發電站緊鄰的事實並非偶然；因為將石英製成金屬矽需要耗用大量的電。

塞拉保運來的礦石傾倒在倉房外的地上，在灰色混凝土地面築起一個白石堆。不久，加入了焦煤（一種經過烘製的煤）、木屑後，一起倒進冶煉爐，加熱到攝氏一千八百度以上，然後在這些石英與焦煤混合料上輸入電流。之後冶煉爐內出現的事，直到今天仍是一個謎。

「儘管已經這樣生產了一百多年，出現在這個反應過程中的一些事仍然讓人不解，」艾肯（Elkem）的主管哈佛．穆伊（Håvard Moe）說。艾肯是一家挪威公司，也是歐洲最大的矽生產商之一。「過程太複雜。有許多化學反應；全部發生在一個非常強的電場之下，而它也影響著反應。想做一個有關數學模式非常困難。」

過程雖說令人費解，結果仍然出爐：石英石中的矽熔化，與氧分家、沉到冶煉爐底下，從一個口流出來。每六噸倒進冶煉爐的原物料──石英、煤與木屑──大約可以生產一噸的金屬矽。附帶一提，這種冶煉爐運作，也說明瞭何以顆粒狀砂不能做為生產矽晶片的原物料：顆粒狀砂的化學成分沒問題，就是大小不對。

「這些都是巨型冶煉爐，二氧化碳冒著泡，在其間不斷穿梭對流，」德國科學家雷納．郝斯（Reiner Haus）說。當今世上了解這條供應鏈複雜運作的人很少，郝斯是其中之一。他說，「如果你用砂，它會被炸飛，鑽進濾網，不會熔解。所以你得用拳頭般的大石英石才行。」

在這個階段，如果你開始覺得這一切似乎與生產鋼或鋁的工業製程並無不同，這感覺沒錯。這些巨型冶煉爐像燒得發紅、狂吼冒煙的鍋爐，盛著熔融了的金屬與煤。如果不穿防火服──就像火山研究人員在火山口附近工作時穿的那種衣服──你根本無法接近這些冶煉爐。

事實上，用來描述石英處理的術語確實與火山有關。從石英岩取矽的製程叫做「提煉」（smelting），熔爐中心叫做「火山口」（crater）。看著這些岩石熔為金屬形式，彷彿見證一場滿火復活的工業革命。誠如一位產業分析師對我所說的，那情景「彷彿回到中世紀。工人鏟著煤堆，就像《魔戒》（The Lord of the Rings ）中那個黑暗之礦『摩瑞亞』（Moria）」。

這種燒煤、加熱製程的成果，與中世紀工業革命帶來的成果也並無不同。要讓這樣一座巨型冶煉爐運轉約需耗電四十五兆瓦──足以維持一個小城運轉。穆伊說，要以量產方式將石英變成矽而不釋出二氧化碳，老實說根本不可能，就算用水力發電啟動冶煉爐，爐子熔融石英的過程中仍得排碳。不過沒有人真正關心矽晶片製程造成的排碳。無論如何，反正我們這趟探索之旅才剛起步而已。

從薩邦的熔爐流出的金屬矽，要先搗碎製成一種顆粒狀金屬。這個階段的金屬矽，矽純度約為九八％到九九％，在我們大多數人看來，這已經很純了，但想製作一個矽晶片或一個太陽能板，這樣的純度還差得很遠。

比純淨還要純淨

接下來，全球費洛出廠的顆粒狀金屬矽要運往另一家大多數人從沒聽過的公司，製成純度更高的所謂多晶矽（polysilicon），我們的下一站旅程也於焉展開。這家名不見經傳的公司是德國業者瓦克（Wacker）。瓦克是中國以外，全球最大的多晶矽生產商，總廠位在慕尼黑以東約一個半小時車程的奧地利邊界。伯格豪森（Burghausen）號稱擁有全世界最長的城堡：沿著俯瞰薩爾察河（River Salzach）河彎、曲折蜿蜒的山嶺而建。此地自古以來就是「小而富」的代名詞，因為它是古時奧地利與德國之間鹽路的中心重鎮。過去，順薩爾察河（即「鹽河」）而下的運鹽駁船，在抵達伯格豪森以後要卸貨、打稅，然後繼續未竟之旅。這種食鹽貿易雖早已走入歷史，但伯格豪森仍是德國比較富裕的城市，因為像太多過去的食鹽貿易社群一樣，今天的伯格豪森是化學工業中樞。

這麼說其實還小覷了伯格豪森，因為這裡的化學園區規模之大，一提到伯格豪森就不能不提及這座化學園區。園區內有一處發電站、一座煉油廠，還有數不清的煙囪與一座又一座的化學庫房。這裡甚至還有一個足球專用球場，提供給在巴伐利亞聯盟（Bavarian League）比賽的瓦克伯格豪森體育俱樂部（SV Wacker Burghausen）使用。而這裡──化學園區，不是足球場──正是西班牙金屬矽的下一站。

接下來要進入所謂「西門子製程」（Siemens process）：將純金屬矽拆解成元素碎片，再予以重組。在這裡，金屬矽要磨成粉末，與純氯化氫混和、蒸餾，然後置於一個鐘型罩中加熱到攝氏一千一百五十度。最後做出來的是一些長桿，有些類似老咖啡壺裡的加熱裝置，只不過這些長桿絕無水垢，它們是超純的矽。

伯格豪森化學園區的任務，基本上就是將原子拆開、重組──這又是一項能源密集的作業。根據科學家瓦克拉．史密爾（Vaclav Smil）的看法，生產超純矽的能源成本比生產水泥高了三千倍、比鐵煉成鋼高一千倍。這座園區的產量或許不大，但這項製程不僅費時耗力、成本高，往往還很汙染。不過它的產出卻是純度高得出奇、幾乎比世上任何其他產品都更純的矽，即多晶矽。根據矽溶液蒸餾程度加以分級的多晶矽，每個等級都根據純度數字裡有幾個「九」來命名。 [2]

有製作多晶電池的太陽能級多晶矽，純度達八個「九」（99.999999％純矽）。有製作單晶電池的太陽能級多晶矽，純度達九個「九」（99.9999999％純矽）。事實上，絕大多數多晶矽用於製作太陽能板，其中絕大多數又在中國製造。但讓人稱奇的是，中國直到今天還無法掌握矽世界的「主菜」──半導體級多晶矽──製程。半導體級多晶矽有十個「九」（純度99.99999999％），在這種多晶矽裡，每一個不純的原子有一百億個純矽原子。

矽在從巖壁開採出來之後，雖經鍋爐熔燒、擊碎、磨成粉末、化成溶液、以超高溫蒸餾，再切割成片，但仍然還沒做好成為矽晶片的準備。我們這趟矽晶片之旅才剛走到一半。

世上最純淨的原料

來到這個階段，或許你會問：不就是幾個小數點之差嘛，何必這麼小題大作？這麼做真的值得嗎？就算我們省略一個步驟，難道真有什麼人能發現嗎？簡單的答案是：是的，絕對值得。原本純淨無瑕的矽「基質」（matrix），只要出了一個壞原子，就足以打斷電子在電晶體中的流通。如果說，水泥之所以這麼成功，秘密武器之一就是配方非常寬鬆，就算你稍有失誤，未能嚴格按照指示作業，一般也不會有問題。但矽的狀況正好相反。而且純度還不是唯一關鍵：結構也同樣重要。矽的原子結構愈完美，電子的流通愈暢行無阻。不良率──所謂晶界（grain boundaries）──愈高，電子無法暢通、半導體突然失靈的機率也愈高。不妨這麼想，一盒是擺得整整齊齊的蛋，另一盒是雜亂無章、擠成一堆的蛋。

這是又一個提醒我們原料這一塊在原料世界至關重要的現成例子。電晶體的開創過程一開始受阻，不是因為少了創意或缺乏想像力，而是因為沒有真正可靠的材質。布拉坦與巴丁一九四七年在貝爾實驗室造出的第一個電晶體，使用的材質不是矽，而是鍺，但鍺不適合製作電晶體，因為在高溫環境下運作得不是很好。由於半導體會變得很燙──把手提電腦擺在膝上，工作相當時間後你就知道了──不能在高溫下運作是非常惱人的問題。矽的熔點很高，至少在理論上比鍺適合得多。但西門子製程是一九四七年以後的事，所以坦白說，最初問世的那些半導體純度不佳，是些劣質貨。 [3] 　ｉ

現在再回到我們的矽身上。這個以西班牙一處採石場為旅程起點的矽，經過熔燒、重組，現在已經是純度極高的多晶矽。下一個任務（這趟旅途的下一站）是將它雖然純、但雜亂無章的原子重新排列，成為一種完美的基質。就這樣，這個多晶矽得飛到地球另一端，一家位於美國奧勒岡州波特蘭郊外的公司。它瀕臨哥倫比亞河（Columbia River），廠區跨越波特蘭市郊，建有許多灰色建築。這是日本的信越化學（Shin-Etsu Silicone），另一間沒有顯赫名聲、卻是原料世界巨人的業者。

這家日本公司成就不凡，其中一項是全球矽晶圓首要生產商。事實上，如果說二十一世紀美國矽產業的中心就在哥倫比亞河濱的這家公司，也毫不為過。哥倫比亞河源起洛磯山脈，一路流經十四座水力發電壩，最後注入太平洋。我們會來到這條大河之濱也絕非偶然，因為就像這條獨特供應鏈的大多數其他環結，將多晶矽製成晶圓──可以送往半導體鑄造廠的純矽結晶結構──也是極耗能源的製程。

這裡的空氣很新鮮，不過我們的矽已經告別外在世界一切難以察覺的微生物與灰塵。它現在極度純淨，需要極度謹慎地處理；它從現在起進入超級乾淨的廠房，密封在無菌室內，直到它進了你府上大門為止。

信越化學的工程師都是全球「柴可拉斯基法」（Czochralski technique）──或簡稱「柴氏長晶法」（ＣＺ）──的頂尖角色。信越化學美國分公司（SHE）的尼爾．韋佛（Neil Weaver）說，「這裡大家都管它叫ＣＺ，我到現在還不知道它是怎麼拚的。」

原料世界有許多稀奇古怪的製造技術，但柴氏法是其中最迷人的一種。首先得將多晶矽倒進一個石英坩堝（這個坩堝必須非常純，否則會把雜質送回矽裡面），然後加溫到略低於攝氏一千五百度，再將晶種（seed crystal，即一枝鉛筆大小的矽棒）浸入溶液，緩緩往上拉。一個純淨無瑕的球狀固態錠逐漸在溶液中成形。ⅱ

或許，最能說明這個工法的例子，是在一根籤子上繞出棉花糖。不同之處是，棉花糖在充滿孩子嘻笑聲的遊樂場中製作，柴可拉斯基法卻只能出現在純氬氣（argon gas）的密閉空間。晶棒（boule）緩緩轉動，逐漸升高，直到最後，坩堝上方出現一個形狀奇特、閃閃發光，用一條只有幾毫米粗的線吊著的長形黑色金屬圓柱。不過除非使用Ｘ光衍射儀檢視這根「矽香腸」，否則你看不到最精采的事：原子開始排列成一個完美無瑕的晶體。

這根矽晶棒在完成時約有兩或三米高，但一支碳化矽鏈鋸很快就會將它切割成許多每片厚度不到一毫米的薄片。這些約有小披薩餅大小的圓形薄片經過化學藥劑拋光、洗淨，直到絕對平整，工序終於完成：出土時的石英岩塊，現在成了矽晶圓。當然，就這樣三言兩語解說這個工法是太過簡了。事實上，這些矽晶還得在信越實驗室待上好幾個月，在一個又一個機器之間穿梭，不斷拉、切、整平、清洗、測試……你知道這是怎麼回事就好。

在過去七十年，這個工法流程既是科學也是藝術。在矽谷崛起之初，大多數晶片製造業者自製晶圓，晶體多用手拉，機械作業員（幾乎清一色是女性）戴著墨鏡用肉眼盯著熔融的坩堝，以判斷將晶片舉高、翻轉的速度是否正確。技術最純熟的拉晶作業員很快就能揚名。這些匠人成為明星員工與新興科技公司爭相網羅的物件。 [4]

當然，這一切早已是陳年舊事。今天名號出現在矽晶片上的公司，沒有一家與矽製造業務有多少瓜葛，它們早把這類業務交給信越，或幾家德國、新加坡或韓國的公司處理。晶圓製程只在無菌室內進行，能夠進入這類無菌室的人寥寥無幾，特別是非公司員工更加不得其門而入。

我問尼爾，能不能讓我進入這類操作柴氏長晶法的無菌室，看個幾眼，他聽得笑了起來。「絕對辦不到。我們非常注重這些商業機密的保密，對於防範機密外洩，我們的態度幾近偏執。」

或許這也是預期中的事：出現在這些無菌室裡面的一切都是極其珍貴的智慧財產。從矽晶棒選轉、舉高的速度，坩堝溫度的管理方式，直到避免瑕疵的方法，一切的一切都是商業機密，有些公司──甚至有些國家──為了取得這些機密會不擇手段。

尼爾最擔心的所謂「有些國家」指的是哪一國，不言可喻。過去二十年來，中國已經幾乎壟斷了矽晶製造；近年來，約九成矽晶生產不是供作電腦用晶片，而是太陽能板晶片，而且生產基地幾乎都不在美國東海岸，而是中國。這就帶來幾個重大衝擊。首先，雖然歐洲境內的矽晶生產大多使用替代能源，特別是水力發電，但在中國境內，將石英製成多晶矽需用的龐大電力主要仰賴燒煤。晶圓生產過程本來就比你想像得骯髒得多，在中國尤其如此。其次，中國的一些矽晶生產業者──特別是在新疆維吾爾自治區內的一些業者──以不人道的方式壓榨生產工人，也引起國際關切。

的確，在寫這本書的時候，美國下令禁止進口合盛矽業的產品，它是中國、也是全世界最大的矽晶生產商之一。白宮說，合盛以恐嚇、威脅手段對付它的工人。中國業者與北京則反控美國，說美國只是為了保護本國經濟與窒息中國經濟而制裁合盛。

但關鍵是，中國雖能主控全球金屬矽與太陽能多晶矽供應鏈，但還沒能具備製造最先進矽晶圓所需科技。中國既沒能像瓦克一樣，掌握不良率不足十億分之一的多晶矽製程，也還沒能像信越一樣，掌握柴氏長晶法的奧妙，造出幾近完美的晶圓。你、我不能進入這些製造聖地的原因就在這裡：為了防範產業間諜，不讓這些製造方法與機密被盜，最後在新疆境內的一處工廠複製。

還有一個東西也讓中國無法壟斷先進晶圓市場，這個東西又是砂──一種非常特定型別的砂。信越得先用坩堝熔製成超純的矽溶液，才能拉出完美的矽晶棒，進而切成晶圓。而製造這些坩堝──所有、每一個坩堝──的原物料，都是一種非常特定的石英，全世界只有一個地方有產。

一種關鍵性原物料的全球供應鏈控制在一處地點的事例，不僅不多見，還幾乎稱得上聞所未聞。但如果想製造沒有它們就造不出矽晶圓的坩堝，你就先得取得高純度石英，而它們只產在一個地方：雲杉松（Spruce Pine）。雲杉松是美國北卡羅萊納州藍嶺（Blue Ridge）斷崖邊的一個小鎮，有很長一段時間，這座礦──也因此，推而廣之，整個全球高純度石英供應鏈──是比利時公司矽比科（Sibelco）的獨門買賣。

來到雲杉松，你無須打探也能聽到許多有關矽比科如何想盡辦法保護公司隱私的傳聞。獲許進入礦場的人已經很少，能夠進入石英處理、高純度產品製作設施的人更是寥寥可數。

據一位與矽比科有生意往來的人士表示，往訪矽比科總公司「有些像是進入美國陸軍基地諾克斯堡（Fort Knox）」。總公司園區周邊有一道二十五呎高的圍牆，牆上布滿鐵刺網，還有監視攝影機與頻繁的保安巡邏。

據另一位知情人士透露，其他公司的包工前來廠房做維修工作時，得蒙上雙眼，由專人帶領進入廠房，來到需要維修的機器前，才能解下矇眼布，「那情景就跟《巧克力工廠》裡的威利．旺卡（Willy Wonka）一樣」。

為什麼要如此鬼鬼祟祟、躡手躡腳？為什麼這麼神秘兮兮？據矽產業分析師雷納．郝斯表示：「你如果能壟斷市場，何必需要跟人多費唇舌？既然沒有推廣產品的必要，自然也不必與任何人討論你的產品。」

現在雲杉松有兩家礦場，除了矽比科，還有一家規模較小的業者「石英公司」（Quartz Corp）。石英公司把採來的礦石運到挪威處理。從外表看，這些礦石似乎並不起眼──比較像花崗石，不像塞拉保出土的那些白得發亮的石英石。這些礦石經過沖洗、碾碎、磨平、磁分離與化學藥劑洗淨，最後成為一種特殊型別的砂──它必須絕對純淨，才能在矽溶液拉成矽晶圓的過程中盛住熔融的矽溶液。目前有五或十家公司還在搜尋全球各地其他國家的地質記錄，想找出品質能與這些礦石匹敵的石英礦。中國為生產類似標準的石英礦，已經嘗試了幾十年，但始終不可得。事實證明，想找出其他產地，生產塞拉保出土的那種純如白雪的石英石固然非常困難，想找出其他生產純度媲美雲杉松石英石的產地，更加幾乎不可能。

在原料世界，像這樣整個供應鏈完全依賴一個產地的案例很少。印度與西伯利亞境內雖有幾家很小型的業者，但產品無論就一貫性與品質而言，都無法與雲杉松這兩個礦的產品匹敵。這就帶來一些惱人的問題：這兩座礦萬一齣問題了怎麼辦？假設連結這兩座礦與外界的唯一通路因山崩而被摧毀，會怎麼樣？答案很簡單：那會很慘。

「這事想起來真讓人心驚膽戰，」一位業界資深人士說。「如果用一架噴灑殺蟲劑的小飛機，載著一種極特定藥粉飛越雲杉松這兩座礦的上空，你可以在六個月內讓全球半導體與太陽能板停產。」沒有高純度石英就沒有柴可拉斯基法，也就沒有單晶矽晶圓，電腦晶片的製造也將為之停擺。我們會設法調適；找一套新製程或一種代用品。不過我們得經歷幾年令人不寒而慄的可怕歲月。或許高純度石英這一行的從業人員之所以如此神經兮兮，原因就在此。或許前面那位告訴我那個可怕想法的業界資深人士，堅持我不能在文中透露哪一種藥粉會對（悄然在現代世界運作中扮演如此小而關鍵性角色的）北卡這兩座礦造成毀滅性影響，原因也在此。

製造晶圓

自從在西班牙加利西亞山麓展開新生以來，我們的矽已經歷經無數轉型──從固態到液態，到固態，到氣態，再從固態到液態，然後又一次回到固態──現在裝進一個密閉罐，來到世界另一頭。我們現在在臺灣古都臺南郊外。從市中心驅車往北，辦公樓與住宅很快消失，眼前淨是甘蔗與高麗菜田。空氣有些悶熱，或許一時間你幾乎會有一種馳赴蠻荒不毛的感覺。但你錯了：對任何從事電腦業這一行的人來說，這裡是宇宙的中心。

前方田野中矗立著一個門柱，門柱後方一段距離外，就是一群閃閃發光的銀色建築。這個地方的全名是「南臺灣科技園區」，而大家都知道這是一家公司的主生產核心，它的名號以紅色字型標示在建築物上：ＴＳＭＣ。這是十八號晶圓代工廠（Fab 18），全世界最先進的晶圓廠。

就連這裡會有這棟建築，也全虧了這位張忠謀先生。張忠謀是在一九八七年創辦了「臺灣積體電路製造公司」（簡稱臺積電）。他在一九四九年從中國移居美國，在美國矽產業工作，一路升遷成為德州儀器（Texas Instruments）半導體部門總經理，而之後德儀宣佈執行長人選時，沒有選上他。這時五十一歲的張忠謀發現自己已經來到職涯終點，剛好臺灣行政院長找上他，希望他能幫忙在臺灣建立半導體產業。

有鑒於當時電腦產業完全由美國公司包辦，行政院這項建議堪稱大膽。臺灣沒有這方面的工程經驗，也不具備熟練人才基礎。但在隨後許多年，就像當年普魯士政府協助建立「耶拿」玻璃產業，臺灣政府也為臺積電提供源源不絕的支援。真正使臺積電有別於德州儀器或英特爾這類業界老字號競爭對手的，是它的業務模式：德儀與英特爾這類公司自行設計、生產晶片，臺積電卻只為其他公司製作晶片：它是一家代工廠。

如果你想找一家能夠具體代表原料世界的公司，臺積電絕對是你的不二首選。臺積電的業務只有一個宗旨：為蘋果或特斯拉，或為輝達（Nvidia）、高通（Qualcomm）這類無晶圓廠模式（fabless）業者製造處理器。不在電腦業這一行的人雖說未必聽過「臺積電」的名號，臺積電卻絕對已經將晶圓代工發揮到極致，成為全世界最珍貴、最重要的公司之一。不過，想取得這樣的主控優勢可不便宜：從二○二一年起三年間，臺積電編列的投資預算達一千三百五十億美元，相當於十艘美國福特（Gerald R. Ford）級航空母艦造價，比許多已開發國家的同期間預算開支還多。

一家不過擁有幾處設施，而且這些設施大體上不出單一國家國境的公司，怎能在這短短幾年之間花費如此鉅款？答案就在你面前這處南臺灣暑氣逼人的田野中：十八號晶圓代工廠非常、非常昂貴。事實上，十八號廠不是一棟建築，而是六個相互連結的建築單位組合，其中幾個單位在寫這本書的時候還在施工中。這座代工廠總工程成本為一百七十億美元，比英法海底隧道的施工成本（經過通膨調整）還稍多一些。不出幾年，可能出現另一家成本超越十八號廠的工廠，多半也是半導體廠，很可能還是臺積電的。這是摩爾定律（Moore's law）的邏輯：每兩年，電晶體必然變得更小，而製作它們的工廠則會更加昂貴。ⅲ

十八號晶圓廠的這些建築單位本身，每個都有多層停車場般大小，但如果把它們的銀色外牆剝開，你會發現外牆內側的大部分空間並不用來工作、辦公或停車，而是用來安置龐大的過濾與空調系統，為的就是確保建築最關鍵部位的無比極度潔淨。十八號廠的辦公建築每小時大約進行五到六次通風與過濾；最關鍵部位的一級無塵室，每小時換六百次空氣。如果你將十八號廠所有不同單位的無塵室加在一起，這總面積約有二十五個足球場大的空間，是地表最乾淨的地方之一──撇開那些準備澆在晶圓上的毒溶劑不提的話。這帶著我們來到無塵室的下方、完全不同樓層的「sub-fab」ⅳ ，各式各樣用來洗滌、處理晶圓的化學藥劑就在這裡不斷攪拌、搖晃，送入守在上層的機器。沒有化學藥劑的半導體廠基本上一點用處也沒有：沒有化學藥劑，也不可能有電晶體。

sub-fab 下方是全球最精密的一套減震裝置，也就是說，整個建築與大地幾乎完全隔絕，有鑒於臺灣位於地表地震頻繁帶，這樣的裝置自有其必要。哪怕是再細微的響動都會干擾廠內機器的運作，所以晶圓製作廠一般不會過於接近機場或公路。

廠房裡擺著一排排機器，它們無疑是廠房裡最昂貴的東西。這些大多是白色、各自獨立的單位，體積跟小型巴士差不多，其中有些負責將化學藥劑塗在晶圓上──稱之為摻雜（doping）──有些負責沉澱奈米層材料，還有些用雷射在矽晶上蝕刻電路。一九五○年代，半導體裝配廠裡總有一排排女性員工，危坐桌邊，用鑷子操弄電晶體線路。在今天的晶圓廠裡，你或許可以見到一、兩位從頭到腳罩在白袍內、以免將灰塵帶進無塵室的人，在這裡，幾乎所有其他一切工作都由機器人代勞。這些廠房的自動化已經到了幾乎可以完全不用人力操作的地步，因此又稱「關燈」（lights-out）工廠。那是一種超現實、多少有些反烏託邦的景象：一個沒有人的世界。但從矽晶圓的角度看來，人類的指甲藏汙納垢、皮膚屑隨處脫落、呼吸也渾濁不堪，說白了根本就在到處散播雜質。在這樣的工廠，只要有一粒不當流入的原子闖進來，價值千百萬美元的電晶體瞬間報廢。如果一切按照計畫進行，直到表面封妥、準備傳送，我們的矽晶圓不會接觸到任何一隻人類的手。 [5]

不過這一刻的到來需要相當時間，因為我們的矽晶圓得花三到四個月時間在這樣的工廠裡轉來轉去，裝在一個叫做「前開式晶圓傳送盒」（front-opening universal pod, FOUP）的無菌箱裡，從一部機器送進另一部機器。這些機器中最重要的或許是負責執行微影製程（光刻）的機器。幾十年來，晶圓廠不是用手或實體機器、而是用光將電晶體蝕刻在矽晶圓上。這原則有些類似電影投影機，只不過過程反轉。投影機透過鏡片將小小影像投射到電影院的大銀幕上；微影製程以一張滿載電晶體與特性的矽晶片大型曝光圖為開端，用鏡片將圖上影像投射在小到匪夷所思的面上。電腦晶片般大小的微投影打到矽晶上，藉由雷射光與塗在矽晶表層的化學藥劑的協助，在晶片上刻出細小的溝與渠，等於將電路蝕刻在晶圓上。

或許這聽起來不過是個信手拈來的比喻，但在一九五○年代的快捷半導體，高登．摩爾與他的同事羅伯．諾伊斯確曾買下十六釐米老電影攝影機做出他們最早先的晶片。早期的矽谷晶片設計者，真正就這樣將他們的初步設計圖一個電晶體接一個電晶體、畫在一片黑板般大小的膠片上，然後由鏡片完成未竟之功。但今天的晶片設計太過複雜，且以英特爾的一款電腦晶片為例，如果你要採取上述早期設計者的作法，得先找一塊像世界第一高樓哈里發塔一樣高、超過一公里寬的大黑板才行。今天的設計者使用光罩（photomasks）──相當於早期設計者用來畫設計圖的黑板大小膠片──這些光罩用熔融石英製成，而熔融石英由砂製成。而這些砂又是其他一些砂、再是其他一些砂的產物。 [6]

如何能將那麼多細節用光投射在僅幾公分大小的晶片上？你得靠一部全世界最貴的機器：TWINSCAN NXE: 3600D。它的單價要上億美元，製造商為曾是飛利浦（Philips）一部分的荷蘭公司艾司摩爾。3600D 光刻機的功能基本上就是讓光在一個箱子裡來回彈射。這樣的機器要價上億美元或許聽起來有些太超過，不過這可不是普通的光，也不是普通的箱子。畢竟，如前文所述，臺積電生產的電晶體都是小到真正看不見的東西，傳統波長的雷射與鏡片不再管用。為取得解析度最優的產品，你需要波長最小的光，也就是極紫外光（extreme ultraviolet〔EUV〕light）。

操作極紫外光是一件極具挑戰性的工作。就像在上世紀五十年代，許多人認為我們永遠造不出完美的矽晶圓一樣，直到不久以前，還有人認為我們不可能造出艾司摩爾造出的這種機器。第一個也是最顯著的挑戰，即創造極紫外光本身。雷射機造不出這樣的光。我們需要進入某種平行宇宙，它聽起來像極了英國科幻小說家亞瑟．克拉克（Arthur C. Clarke）想出來的場景，而非真實世界的一處製造生產線。

首先將錫熔融為液體。熔融了的錫液不斷滴入 3600D 光刻機內的一個真空室。在垂落過程中，這些小小錫滴每一滴都會遭到德國公司創浦提供的脈衝雷射（pulse lasers）閃擊兩次。這種脈衝雷射威力強大，足以切穿金屬。閃擊造成的爆炸使錫升溫到一百萬度，成為一種電漿，同時產生一陣極紫外光。這種對分子的精準閃擊每秒鐘出現五萬次，由於速度太快，完全無法辨別錫滴流與雷射爆炸。這一切為的就是產生一股極紫外光流，而真正的任務現在才要開始：它彈向我們守候著的晶圓。

說它是光，事實上略有誤導之嫌，因為它更像一種輻射線，有點像是Ｘ光。也像Ｘ光，極紫外光有一種被大多數固態材料──包括大多數鏡片──吸收的習性。砂就在這節骨眼又一次登上舞臺。為了要將這股極紫外光流彈射到晶圓上，艾司摩爾與蔡斯簽了約，生產一套用一層層的矽與鉬製成的特製鏡子。

這些鏡子究竟是怎麼做的是另一個守得密不透風的商業機密，不過據蔡斯說，每一面這種鏡子都用五十公斤重的砂塊磨成，還得動用機器人用離子束磨光與修正表層。據艾司摩爾的一位工程師說，它們「可能是世上最平滑的人造結構」。如果你將其中一面鏡子吹製到美國面積大小，鏡面出現的最大一處凸起，高度也不會超過半公釐。經過這些鏡子一級一級彈射，波長十三．五奈米的極紫外光射向晶圓，將複雜的設計蝕刻其上。這樣的製程充滿濃濃科幻氛圍──用平滑得令人不敢想像的鏡子操控完美無瑕的矽晶圓──但這一切其實沒有絲毫奇幻之處。一戰期間，英國政府曾秘密用橡膠交換使用蔡斯鏡片的望遠鏡，而今天，在這個矽供應鏈的心臟，蔡斯生產的玻璃又一次扮演要角。

晶片戰爭

截至目前，艾司摩爾是全世界唯一一間能做出這種光刻機的公司，臺積電與三星（Samsung）是唯二能運用這種科技進行量產的業者。一般認為，雄霸業界多年的英特爾至少落後一個世代。儘管早在一開始就投入極紫外光研發，英特爾直到今天仍然無法運用這類機器量產晶片。還有中國。由於遭到美國制裁，中國的晶片製造龍頭中芯國際（ＳＭＩＣ）根本買不到任何這類機器。

理論上，美國的出口禁令能阻礙中國腳步、讓中國趕不上臺灣與南韓的晶片產業。但根據業界資深人士的說法，早在美國制裁以前，中國不但沒能逐漸趕上臺灣與南韓，落後差距反而愈來愈大。十年前，中芯國際的科技落後臺積電四年。今天，儘管北京不斷投入鉅資，一般認為中芯國際的科技仍落後臺積電十或十二年。隨後，在二○二三年八月底，中國華為出人意料地推出了一款搭載國產晶片的智慧型手機，令半導體業一陣譁然。雖然仍落後於臺灣和韓國的競爭對手幾代，華為這款由中芯國際製造的晶片，已比許多美國和亞洲人士預期的要先進得多。只是由於生產過程極度神秘，中國以外的人只能猜測他們是如何反制美國制裁的。 [7]

中國是否能夠迎頭趕上還有待觀察（大多數內部人士仍然持否定答案），但毫無疑問，它的嘗試付出了巨大的代價。就像幾年前中國各省競相打造最大的橋或最快的高鐵一樣，今天中國各省都在建造新晶圓廠。但問題是，他們找不到經營這些工廠的專業人才。

某全球領先的半導體公司一位高階主管說道，「如果我明天辭職，我會直接飛到中國，說服一個省給我一百億美元造一個晶圓廠。我知道怎麼造一個晶圓廠嗎？根本不知道。但半導體騙子不會因此罷休。

「他們建了新科技無塵室，但沒人知道怎麼使用。這些新晶圓廠大多隻是一些裝滿未開箱箱子的大樓罷了。他們根本搞不清自己在做什麼。」

有一個理論說，中國失敗，臺灣卻能在半導體產業大放異彩的部分原因是臺灣走運，時機剛好。在二十世紀六十與七十年代，臺灣將許多畢業生送往美國大學，這些留學生有許多研讀工程，後來進入英特爾與德州儀器這類公司工作。他們將那些科技知識帶回臺灣。

但到了一九九○與二○○○年代，當中國開放國門，送學生到美國留學時，美國科技產業景觀已然改變。微軟、亞馬遜與谷歌等軟體業者開始獨領風騷。這一代中國留學生回國以後沒有建立硬體產業，而是運用留美期間所學，成立網際網路服務公司。這一代中國企業家建立的不是原料世界的新巨人，而是零售業巨擘阿里巴巴（Alibaba）、騰訊（TenCent，微信〔WeChat〕的母公司）與字節跳動（ByteDance，抖音〔TikTok〕的母公司）。

在鋼鐵生產、水泥、製造、營銷通路，甚至社交媒體，中國都能迎頭趕上、或超前其他國家，但在半導體這一塊，中國表現始終差強人意。中國業者雖說已經能夠主控較簡單、低端晶片的製造，但不論投入多少資金與努力，在前沿設計方面仍然瞠乎其後。分隔臺灣與中國的並非只有一個臺灣海峽，還有一道造成臺海緊張情勢不斷升高的科技鴻溝。誠如張忠謀在二○一九年所說，「這個世界愈來愈不和平，臺積電的地緣戰略地位也愈來愈重要。」 [8]

而且這種對高階晶片依賴的規模比你想像的更高。近年來，中國花在電腦晶片進口的開支，超過了石油進口。的確，《晶片戰爭》（Chip War ）一書作者克里斯．米勒（Chris Miller）說，中國二○一七年半導體進口的成本，比沙烏地阿拉伯全年石油輸出的總營收、比全球一整年飛機買賣的總額還高。他說，「半導體在國際貿易扮演的核心角色，沒有任何其他產品能夠望其項背。」 [9]

再回到臺積電十八號晶圓廠。我們的晶圓已經離開極紫外光光刻機，但旅程還沒結束，因為在通過這第一關之後，它得經過清洗與曬乾，沉積ⅴ 又一層化學藥劑，然後一再反覆同樣過程。一層又一層設計細節往上加，有時使用極紫外光，有時使用其他雷射。有時它得進入加州應用材料（Applied Materials）公司這類業者製造的其他巴士般大小的機器，一個原子接一個原子沉積細節。就這樣過了幾周、幾個月，我們的晶圓仍在晶圓廠裡，從一臺機器轉移到另一臺機器。事實是，創造全世界最快科技的製程緩慢、費力得出奇；有人估算，這幾個月的製程有超過一萬個各式各樣的步驟。幾個月後，當晶圓廠製程告終之際，我們的晶圓可能已經多了一百層各式各樣的電晶體，只是它們都輕薄短小到難以言喻，肉眼看來，我們的晶圓與進廠之初沒有兩樣。

近日來，微型化製程的不斷改善會不會走到盡頭，將摩爾定律打入歷史塵埃，成為人們激辯的議題。有人猜測，我們很快就會來到矽原子極限，必須尋求一種代用原料。也有人談到砷化鎵這類「複合半導體」（compound semiconductors）。還有人認為，半導體的前途可能仰仗第一個、原始電晶體使用的材料：鍺。不過話說回來，科學家的這類爭論已經持續了好幾十年，而矽始終是主角。不過絕不是唯一的主角。

隨著電晶體數量倍增，晶圓廠製程中沉積在晶片上的化學物質種類也不斷增加。近日來，一般晶片可能會經過六十種化學物質處理，相形之下，上世紀九十年代約有十五種，八十年代約有十一種。典型的手機，加上螢幕與電池，大概有多達七十種化學物質，使它成為有史以來最先進的化學表現形式。不過就目前而言，我們再怎麼發展也離不開矽。就連下一世代電腦「量子處理器」（quantum processors）──使用量子邏輯運算，與傳統電腦的零與一二元世界不同──也仍然要仰仗矽晶圓。製作晶圓的這些獨特機器必須保持極度低溫──只能稍高於攝氏零下二百七十三度的絕對零度──或許會使用一些鋁與鈮（niobium）製作的電路，但主要材質仍然是矽。 [10]

以現有科技而論，微型化製程或許還有幾個世代的壽命──或許還有十年左右。之後呢？一個選項是，效法城市在沒有空地可用之後採取的辦法，往上加高。且以ＩＢＭ研發的新型晶片為例，說明這個辦法。原本製作電腦的ＩＢＭ近年來大舉投入半導體研究，英特爾也隨即跟進。ＩＢＭ已經造出電晶體「閘極長度」（gate length）十二奈米的原型晶片，不過根據晶片製造商訂定的一些邏輯有些不通的命名規則，這種晶片夠格稱為二奈米晶片。無論怎麼說，它可以將五百億個電晶體植入一個約指甲大小的空間。

當你用電子顯微鏡觀察這些電晶體（唯有這樣才能看到它們）時，它們看起來有些像一個去了麵包的三層起士漢堡──三層疊在一起的矽，每兩層之間夾著一層化學塗料。當然，這個漢堡非比等閒：每一層的厚度大約與兩串ＤＮＡ一樣厚。用這種方式將電晶體疊在一起的好處是，你可以將它們愈疊愈高，造出比今天既有產品密度更大、速度更快也更有效能的電腦晶片。

一層又一層，材質上再塗材質，製程不斷往前推進，我們的矽晶圓這時也已滿滿蝕刻著電晶體，邁向下一站：切割成一、兩百片晶片，每片晶片都裝入一個保護罩裡。從石英塊化身電腦處理器的這段旅程現在結束，但它的整個行程還沒走完。從這一刻起，我們這塊晶片將運往另一間位於馬來西亞的工廠，接受進一步監測。脆弱的晶片表面隨後覆蓋一層保護層，還加上與一個電路板相接的線路。這個指甲大小的神奇產品終於或多或少完成，可以裝入智慧手機裡了。之後，它離開馬來西亞，運往中國境內的裝配廠。這些規模龐大、好似小城一般的裝配廠，大多由這家「鴻海科技集團」──人稱「富士康」──的公司經營。我們的晶片要在這裡與來自高通與德州儀器等公司的其他十幾個晶片一起接上主機板。

就算是業界本身人士，也很少能瞭解這趟旅程的冗長與複雜，涉及製程、參與其事的公司之眾多。媒體經常寫到蘋果，有時談到富士康。專業雜誌偶爾還會寫到有關臺積電，甚至艾司摩爾的報導，傳頌臺灣與荷蘭在半導體供應鏈的核心地位。不過這都是冰山一角，因為供應鏈還有其他數以百計的公司，若沒了它們，這些處於核心位置的公司將無法運作。例如林登晶體（Linton Crystal），製作柴可拉斯基法的鍋爐，以及切割矽錠的鑽石鋸；例如ＪＳＲ株式會社是光阻科技全球領先業者；例如位於奧地利的ＥＶ集團（EV Group）與ＩＭＳ奈米製作（IMS Nanofabrication）是晶圓鍵合與光罩生產龍頭；又例如威可儀器（Veeco）、東京電子（Tokyo Electron）、科林研發（Lam Research）、ＡＳＭ太平洋（ASM Pacific）、應用材料與愛德華（Applied Materials and Edwards）等等名不見經傳、但為晶圓製造提供關鍵機器的業者──只需從半導體供應鏈中去除一、兩家這類公司，電腦或智慧手機的製作都將停擺。

值得深思的是，世上兩個超級大國近年來都在高談闊論，要將供應鏈「遷回本土」。喬．拜登在二○二二年提出法案，鼓勵更多相關投資，要讓半導體製造回歸美國；習近平訂定「中國製造二○二五」政策，要讓中國自給自足、主控從機器到半導體製造等一切環節。但要將我們剛經歷的這趟旅程壓縮在一個國家，不依賴來自世界其他國家的進口而獨力生產，就算只是想一想也能令人頭皮發麻，大呼不可能。

就算中國入侵臺灣，就算臺積電晶圓廠能在這場戰火洗禮中存活下來（有人已經提出建議，要在臺積電晶圓廠地基埋設炸藥，一旦遭到入侵就引爆，就像軍隊在撤退前先炸橋一樣），問題還是不能解決。十八號晶圓廠或許是全世界最先進晶片製作地，但它們的設計大多來自主要是美國等其他地方，智慧財產權則屬於英國劍橋的智財供應商ＡＲＭ。若沒有荷蘭與日本提供的機器工具，沒有德國的化學藥劑，與其他國家形形色色的零元件，臺積電的晶圓廠也只能熄火。世界上做得出完美矽晶圓的公司寥寥無幾，而且其中沒有一家總公司設在美國或中國。而且全世界只有一個地方生產的石英砂做得出晶圓製造所需的坩堝。政界人士在口沫橫飛、大談「迴流」（Reshoring）之餘，往往只是暴露了他們對原料世界真實運作方式的深刻無知。

你很可能因此認定，我們剛完成的這趟旅程非常獨特──是二十一世紀錯綜複雜經濟特性的極端例子──但它一點也不獨特。半導體無所不在是不爭之實：就算撇開那些裝在樓層頂端與野外的太陽能板不論，你這一生接觸到的大多數裝置與工具，在最後來到你手邊以前，都經歷過一趟類似的旅程。儘管它或許艱鉅又神奇，卻絕非不尋常。我們的世界就是這樣運作的。

探討得愈深，愈能發現這些供應鏈彼此交織。我們身處的不是一個鏈，而是一個網。沒有燒煤的高爐將石英煉成金屬矽，不會有矽晶片。沒有氯化氫溶解、啟動西門子製程，不會有多晶矽。沒有從生產層下方 sub-fab 打進無塵室的化學藥劑與氣體，也不會有半導體。對了，這些化學藥劑大多從哪裡來的？答案或許就在你家廚房的餐桌上。