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半导体是经济安全的关键技术，而且矿产资源极其密集。半导体存在于所有类型的电子产品中，包括智能手机、电脑、汽车、储能、医疗设备、照明以及军事和航空航天应用。四种不可或缺的矿物——镓、锗、钯和硅——面临着巨大的供应链风险。

在没有替代采购的情况下，半导体供应链仍然高度依赖中国和其他国对家，这已经适得其反。2023年8月，中国对镓和锗实施了出口限制，令美国半导体行业感到震惊。中国占全球精炼镓产量的98% ，占全球锗产量的68%。与此同时，美国不生产镓，精炼锗产量不到全球产量的2%。美国地质调查局（USGS）估计，仅镓供应中断30％就可能导致美国经济产出下降6020亿美元，相当于国内生产总值（GDP）的2.1％，对经济构成重大威胁。

半导体矿物投入

半导体控制电子设备内的电流流动。为了实现此功能，半导体使用各种具有不同导电和绝缘特性的矿物。制造过程广泛而复杂，需要行业专用设备（例如光刻机）和精确工艺（例如蚀刻、封装和清除杂质）。半导体的类型和制造阶段决定了所需的矿物。例如，氟用于蚀刻和净化，而钛则用于高级封装。

由于硅既可以导电，又可以半导电，甚至绝缘，因此它是芯片晶圆的最常见材料。在初始制造后，硅晶圆要经过一个称为掺杂的过程，即加入镓、砷、铱和磷等其他金属，以略微改变晶圆的导电性。铜和钴构成了将数十亿个晶体管连接成一个集成电路的导线。在制造过程结束时，可能已经使用了十几种不同的矿物来制造单个芯片。

本文重点关注镓、锗、钯和硅，原因如下。首先，镓、锗和硅的主要应用是半导体行业，因此美国对这些矿物的需求由该行业推动。相比之下，对铜、钛和钴的需求则由能源、建筑、汽车和航空航天工业推动。其次，这三种矿物——镓、锗和硅——是最常用的半导体材料，缺乏良好的替代品；砷等其他材料仅需微量用于砷化镓 (GaAs) 芯片，而这些芯片正越来越多地被性能更高的氮化镓 (GaN) 化合物取代。最后，美国依赖从外国进口这四种基本矿物，而它在 2022 年是铱、氟和磷的最大出口国，并且已经在印度、以色列、日本和韩国拥有大量盟友采购选择。

考虑到这四种矿物的行业特殊性、美国对外国对手进口的依赖以及镓、锗、钯和硅已经面临或可能面临的出口限制和供应中断，优先考虑新的采购对于美国经济安全至关重要。

半导体的关键矿物深入解读

一、镓

镓是解锁更高功率和更高频率电子产品的关键。然而，由于全球生产集中在中国，且美国半导体制造业高度依赖中国进口，这种矿物也是供应链脆弱性最高的半导体矿物。镓用于生产GaN和 GaAs 高性能芯片，与其他替代品相比，速度更快、电阻更低、生产成本更低。镓是美国国防工业下一代电子设备不可或缺的、不可替代的材料。这类芯片可用于手机、汽车、卫星和激光雷达传感器。如今，中国生产了全球98%的镓，这意味着即使美国利用《芯片法案》资金将半导体制造设施迁回国内，半导体行业仍然依赖来自中国的材料。

实现镓来源多样化的困难主要在于这种矿物的可用性。它在地壳中极为稀有——不到百万分之十九(ppm)——并且仅作为铝土矿开采的副产品。美国的铝土矿储量很少（仅2000 万公吨），采矿活动也很少。然而，几内亚拥有世界上最大的铝土矿储量，为 74 亿公吨，其次是澳大利亚（51 亿公吨）和巴西（27 亿公吨）。2022年，全球 64.3% 的铝土矿出口来自几内亚，12.0% 来自澳大利亚，9.3% 来自印度尼西亚，2.4% 来自巴西。这些出口大部分流向中国进行精炼。例如，几内亚 81.5% 的铝土矿出口流向中国，澳大利亚 97% 的铝土矿出口流向中国，印度尼西亚 100% 的铝土矿出口流向中国。

图 1：2022 年主要铝土矿出口国

如果美国寻求增加从中国以外的来源进口铝土矿，私营部门将需要在铝土矿资源丰富的盟国投资矿物精炼基础设施，并与西方矿业公司达成承购协议。作为老牌盟友，澳大利亚将是美国开发铝土矿到镓精炼管道的绝佳合作伙伴。几内亚和巴西也是铝土矿的潜在采购合作伙伴，投资开发精炼厂可以促进这些国家的经济发展，同时减少对中国的依赖，并将相关的供应链脆弱性降至最低。

图 2：出口至中国的铝土矿份额

二、锗

由于电子迁移率高，锗是高速晶体管的关键材料。光纤电缆制造占锗需求的三分之一。锗晶片性能优异，可用于计算机处理器、红外探测器、通信系统和雷达系统。没有锗的替代品，性能会大大降低。

锗是锌矿石加工的副产品，并非天然金属。地壳中锗的含量仅为 1.5 ppm，是元素周期表中最稀有的金属之一。除中国外，锌储量最大的国家包括澳大利亚、秘鲁和墨西哥。

作为世界最大的精炼锗生产国，中国约占全球供应量的60%。自去年实施出口限制以来，锗价格已上涨逾70%，达到每公斤 2,280 美元。美国从田纳西州和阿拉斯加州的锌矿中生产一些锗，但其国内消费的一半以上依赖进口，主要来自中国（53%）、比利时（22%）、德国（11%）和俄罗斯（9%）。

锗需要经过深度提炼才能成为合适的半导体材料，而锗提炼基础设施目前由中国主导。美国公司在证明投资新的锗提炼产能的合理性方面面临着重大障碍。锗提炼成本特别高，imtoken钱包因为这种金属需要达到99.999%以上的纯度。该过程不仅成本高昂，而且技术难度大、能源密集型。尽管中国通过减少环境和社会保障措施设法将生产成本保持在较低水平，但中国以外的制造商却无法与之竞争。如果没有中国竞争对手所享有的那种政府补贴，美国公司在劳动力和电力成本上涨的情况下将无法具有竞争力，因此必须采取财政激励措施来降低经营成本。

三、钯

钯是六种铂族金属 (PGM) 之一。该族金属的特点是熔点高、耐热、耐腐蚀、具有催化性能。钯用于将芯片连接到电路板的金属连接，而钯镀层则用于半导体以确保使用寿命和可靠性。随着半导体的发展和芯片变得越来越紧凑，氧化和劣化的风险也随之上升。钯的耐用性以及抗腐蚀和抗氧化性使其成为芯片上确保其持续性能的关键保护层。

美国在蒙大拿州的两家工厂生产的钯金仅占全球总产量的 5%，这两家工厂均归南非公司 Sibanye Stillwater 所有。美国国内钯金产量仅占该国消费量的 16%，因此国内钯金行业只能依赖从其他钯金资源丰富的国家进口。

俄罗斯拥有世界上最大的钯金储量，仅两个表现最好的项目就生产出全球40%以上的钯金。2021 年，美国从俄罗斯进口了35%的钯金。在俄罗斯 2022 年与乌克兰发生冲突后，拜登政府警告半导体行业要实现钯金供应链多元化。更糟糕的是，世界铂金投资委员会预测2024 年钯金短缺将达到128 万盎司，相当于 2022 年俄罗斯总产量的三分之一以上。这些短缺主要是由于供应问题造成的，因为矿山生产商为了应对一段时间的价格低迷而进行了重组。

南非拥有世界第二大钯金储量，占世界总产量的 34%。该国最大的企业 Mogalakwena 生产的钯金占全球总产量的 6%，由英国公司 Anglo American 所有。该行业在南非面临着多重挑战，包括生产成本上升、能源和运输基础设施故障、缺乏许可、劳资纠纷以及矿石品位下降。2021年Fraser 投资吸引力指数显示，南非在 84 个司法管辖区中排名第 62 位，比刚果民主共和国低一位，略高于厄瓜多尔。该指数表明，由于上述风险，如果没有政府主导的激励措施，南非对西方私营部门投资来说不是一个有吸引力的选择。

在莫加拉奎纳开采一盎司钯的总现金成本为 590 美元，而俄罗斯诺里尔斯克仅为 402 美元。随着钯价降至每盎司 923 美元，俄罗斯钯矿开采业务的利润率比英美资源集团在南非的项目高出 56%。然而，南非的采矿业务比美国的采矿业务更经济。蒙大拿州 Sibanye Stillwater 钯矿的 2024 年运营成本为每盎司 1,032 美元，高于目前的钯售价。由于目前的钯价使国内采矿业务难以为继，美国需要激励对南非等国家进行投资，这些国家的运营成本将比俄罗斯更具竞争力，因此项目将更有可能成功。

四、硅

硅是半导体制造中最重要的矿物，用于制造硅片，而硅片是半导体材料市场的最大份额。包含数十亿个晶体管的集成电路被挤压在不到一平方英寸的硅片上。尽管日本和韩国在全球硅晶片制造中占大多数，但中国占全球原硅产量的 79%，占半导体所需超高纯度多晶硅的 75%，这表明盟国需要多晶硅制造，以实现硅来源多元化并减少潜在的供应中断。

硅是地壳中第二常见的元素，以硅砂的形式在露天矿场开采。然而，硅与氧、氧化铝和镁结合，因此必须经过大量精炼才能提取金属硅并生产出高纯度的多晶硅。21 世纪初，七家公司垄断了多晶硅市场，这七家公司被称为“七姐妹”，均位于美国、日本和德国。如今，六家公司主导着全球多晶硅供应，其中五家为中国所有。

对镓、锗、钯和硅供应链的分析凸显了外国对手在这些关键原材料生产中的主导地位，以及具有商业可行性的西方矿物精炼项目的重要性。打造一个有弹性的国内半导体行业不仅需要在下游制造业提供激励和补贴，还需要支持盟国发展采矿和精炼能力。

确保半导体供应链安全

随着美国在中国以外建立镓、锗、钯和硅的替代供应链，它还需要瞄准矿产资源丰富、与美国利益一致、能提供经济可行且具有成本效益的机会的国家进行投资。由于中国和俄罗斯拥有大量重要大宗商品储备，并且是铝土矿、锌、钯和硅的主要生产国，因此对美国来说，与能够与外国对手竞争的矿产资源丰富的盟友合作至关重要。

为了确保生产镓所需的铝土矿，美国应该鼓励西方国家在澳大利亚和几内亚进行投资。澳大利亚目前是全球最大的铝土矿生产国，但中国紧随其后，尽管其铝土矿储量仅占澳大利亚的 14%。这表明，澳大利亚有很大机会提高总产量。此外，澳大利亚目前将 97% 的铝土矿运往中国，使中国在将铝土矿精炼成高纯度镓方面占据主导地位。同样，尽管几内亚拥有世界上最大的铝土矿储量，占全球出口的近 65%，但该国将 80% 以上的铝土矿运往中国。

澳大利亚和秘鲁将成为确保锌矿床用于生产锗的关键盟友。澳大利亚拥有世界上最大的锌储量，估计是中国的两倍，但目前产量不到中国产量的三分之一。秘鲁的储量较少——约为澳大利亚的四分之一——但目前锌产量超过澳大利亚。

南非的钯金储量将成为制衡俄罗斯在该大宗商品领域的领先地位的关键，加拿大是其强大的次要资源。南非和俄罗斯的钯金产量均占全球总产量的 40% 左右（见表 3），尽管南非的钯金储量不到俄罗斯的一半。南非还具有开放贸易制度和强大的美国企业存在的独特优势。

最后，应进一步支持巴西和挪威的硅生产，这两个国家目前分别占全球硅产量的 5% 和 4%（见表 3）。中国在硅生产方面遥遥领先，因此有必要进一步投资巴西和挪威的硅项目。为了为半导体行业建立替代的硅供应链。

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