开采珍贵的垃圾

世界各地的废弃电子产品堆积如山，有的被丢在抽屉里，有的被丢在橱柜里，有的被丢在阁楼里，以备将来有一天它们可能有用，有的则被送到非洲和东南亚越来越多的垃圾填埋场。

联合国全球电子垃圾监测机构估计，2019年，消费者、政府和公司扔掉了约5360万吨不需要的电子产品。这比5年前的废弃量增加了21%。到2030年，全球可能会轻而易举地倾倒7400万吨电子垃圾，“主要原因是电力和电子设备的消耗率较高，寿命周期短，维修选择少”。在2019年的收获中，只有17.4%的垃圾以某种方式被收集和回收。

电子回收专家ERI的董事长兼首席执行官约翰·谢格里安在2021年世界循环经济论坛(WCEF)上指出，这种情况已经持续了一段时间。“电子垃圾是世界上增长最快的固体废物流，但当我19年前进入这个行业时，它是世界上增长最快的固体废物流，”他说。“这可能是我们需要共同解决的最紧迫的问题之一。”

对这堆电子垃圾采取行动的动机，不仅仅是负责清理这堆垃圾。所有这些电子垃圾都能赚钱。这种设备可能主要是塑料和加工过的沙子，但在每个芯片中都埋藏着大量商业上可行的金、银和其他稀有金属。由国际电信联盟(itu)和联合国(un)合作发布的《全球电子垃圾监测》(Global E-Waste Monitor)估计，2019年未回收的80%电子产品中，可回收金属的价值可能总计570亿美元。金和银的用量很小，主要是涂在连接器上，形成微小的键合线，将不使用更先进的倒装芯片键合的硅芯片连接到环氧封装的引脚上。但即使是这些微量的黄金和白银，在一吨印刷电路板(pcb)中所含的金和银的数量也比你在贵金属矿中所能找到的高品位矿石中所含的要高一些。

在2015年对废弃手机进行的实验中，德里理工大学的两位研究人员将提取的多氯联苯溶解在酸中，回收了贵金属，他们在一公斤多氯联苯中发现了高达0.2g的黄金。与一般矿山的矿石一样，银的含量更为丰富:一公斤手机pcb的含量可达8克。相比之下，一公斤银矿矿石一般含有2克左右的金属。世界经济论坛(World Economic Forum)在2019年的一份报告中指出，与开采和精炼原始金属相比，开采废弃电子产品以获取黄金的排放降低了80%。

坏消息是提取的成本:你需要手动分离组件，磨碎电路板，最后燃烧塑料垃圾，以消除多氯联苯等有毒有机化学物质，这会导致更多的碳排放，需要对废气进行积极过滤，以避免污染周围环境。而且，提取贵金属主要需要相同的氰化物浸出剂，而矿山经营者希望逐步淘汰这种浸出剂。它们不仅有毒，而且处理或回收的成本也很高。

部分原因是，淘金者现在面临着与城市矿工几乎相同的问题。目前许多正在开采的矿山开采的矿石中既有金又有铜。对他们来说，坏消息是黄金相对缺乏反应性，这意味着铜更容易与氰化物发生反应，消耗大部分氰化物溶液。一个矿山要从数百吨高质量矿石中开采出一公斤价值约5万美元的黄金，仅化学药品一项就很容易花费1000多美元。

2016年，萨斯喀彻温大学化学副教授Stephen Foley和学生Loghman Moradi和Hiwa Salimi展示了一种更便宜、更低危险的方法，并申请了专利，这种方法可以从碎木板中提取黄金和其他贵金属，这种方法基于一种弱得多的酸和一种本身可以重复使用的有机溶剂。他们声称，提取一公斤黄金只需要100升左右的化学物质，成本为50美元。

一年后，三人成立了一家初创公司，并于2018年通过加拿大版《龙穴》筹集了100万美元，以启动Excir Works的业务。不过，最初的演示让评委们感到困惑，因为电路板上一些设备上的金色涂层在析出之前就溶解了。

去年10月，Excir与英国皇家造币厂(Royal Mint)签署了一项授权协议，将在其位于南威尔士的安全场址兴建的工厂从废弃的多氯联苯中回收黄金。皇家造币厂预计每周加工约90吨pcb，每年净得几百公斤黄金。

另一种选择，虽然更具实验性，是利用生物学提取和聚集金属。一些极端细菌本身依赖氰化物化学物质生存，研究小组已经报告了一些成功的不同种类的细菌。在一次实验中，这种方法用于铜比用于金更成功，几乎所有的青铜金属都可以从碾碎的pcb中回收，尽管可用的金只有大约一半。

芯片中其他稀有和有价值的元素仍然很难回收，成本也很高，不过Excir等技术对材料的损害比传统方法小，这可能会让企业更有可能考虑回收业内广泛使用的铟、铪和其他稀土元素。

为了保持晶体管在密度上进一步扩展的能力，芯片制造商正转向不断扩大的元件清单。他们将需要钌来降低放置在每个芯片上连接晶体管的铜线中的电阻，以及镓和砷来取代更常见的硅来提高晶体管的性能。主要的问题是，它们在每个设备中的使用量非常低，并且正在逐渐取代黄金和白银等贵金属，这将使回收的经济效益更加困难。

正如批准授权处理设施论坛贸易集团向下议院委员会指出的那样，该委员会研究了2020年底电子产品循环经济的潜力，与黄金不同，制造这些芯片的关键原材料并不一定昂贵到足以在没有额外激励措施的情况下实现商业回收。

这些激励措施将来可能会出现。英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry)报告称，其中一些元素，包括砷、镓和铟，如果不加大回收力度，很容易就会耗尽。最近，考虑到中国在全球大部分铟和其他稀土供应中所扮演的角色，地缘政治现在发挥着更大的作用。

尽管已经有大量的工作要依赖于更常见的元素，铟仍然是平板显示器透明导体的关键组成部分。认识到这种元素的稀缺性，铟公司(Indium Corporation)等供应商已经开展了回收活动。但它们主要用于工业废料，而不是最终产品。馈送到溅射室的铟中，有多达70%会粘在溅射室表面，而不是目标LCD上，然后必须清理掉。

从工厂回收铜等常见金属也更受欢迎。比利时Aurubis等回收专家专注于半导体晶圆厂和工厂产生的残留物和灰尘形式的废物。从这些废物流中回收金属比试图分解完全组装的电子产品需要更少的处理过程。

人们的注意力开始转向那些储存在制成品中的稀有但不那么珍贵的元素。台湾研究机构工研院(ITRI)在2020年获得了欧洲研究与技术组织协会(European Association of research and Technology Organisations)颁发的奖项，以表彰其在平板显示器中回收铟和其他金属的系统方面的工作。

作为2016年完成的欧盟项目的一部分，来自罗马Università理工大学(Politecnica delle Marche)的一个小组开发了一种从碎液晶显示器中回收铟的工艺，使用酸和锌，锌通常与铟一起出现在原始矿石中。

尽管随着制造商寻找稀有材料，电子产品回收正成为越来越多的关注焦点，但大量的二氧化碳排放从源头上就存在于产品中。在去年年底的设计自动化大会上，ITRenew负责可持续发展的副总裁法赫米达·邦杰特(Fahmida Bangert)声称:“我们已经做了广泛的生命周期成本分析，结果显示，IT行业的大部分碳足迹实际上是在制造业，在嵌入式排放中，高达75%。”

WCEF等组织支持这样一种方法，即在原所有者丢弃电子产品后，将其转移到新的应用中，以维持电子产品的有效寿命。今年早些时候被铁山公司收购后，ITRenew将自己的循环经济业务集中在数据中心和云计算运营商上。班格特表示，该公司“正在为全球所有超大规模的IT硬件退役”。

云计算和互联网服务提供商需要快速扩展以满足需求，他们是一个重要的目标，因为他们通常在购买服务器硬件后不久就会退役:当服务器硬件可用时，他们会选择用更快、更新的型号来替代它们，因为客户通常希望在短时间内使用云计算机器进行密集活动。然而，对碳排放的测量有力地鼓励了他们为不太旧但不需要的硬件寻找新用户。班格特指出:“例如，如果你看看Facebook 2018年的碳足迹，运营碳足迹就会小得多，因为(他们)在可再生能源上投入了大量资金，这将负担转移到了制造方面。”

ITRenew从超大规模的设备中获取整个机架的设备或服务器刀片，并重新配置成适合转售给需要内部IT硬件的公司的形式。班格特说:“我们收集可重复使用的部分，并负责任地回收其余部分。”

反过来，通过推迟硬件最终进入处理和回收链的时间，在最终分析时，高额的前期排放可以在更长的时间内摊销。尽管手机和个人电脑等设备已被认为是高度一次性的，但这一趋势可能正在逆转。以旧换新专业公司Hyla Mobile去年在美国进行的一项调查发现，消费者升级新设备的平均时间开始变长。Android手机和iphone在以旧换新时的平均年龄从上一季度的3.15年上升至3.32年。以旧换新价格也有所上涨，反映出中国市场发展速度放缓，消费者升级的动力减弱。

重新利用这些设备是一个更棘手的问题，尽管树莓派模块已经证明了主要为手机设计的硅可以适用于许多应用程序。制造商目前几乎没有动力让临终设备从外壳中剥离出来，重新编程用于其他用途。对安全的担忧将他们推向了另一个方向。

西门子EDA负责IC验证和验证的高级副总裁拉维•萨勃拉曼尼亚(Ravi Subramanian)表示，目前产品工程的重点更多地放在材料和回收上，“而不是计算的重复使用”。一个可能需要改变设计目标和激励措施的问题是，在摩尔定律的传统优势基本消失、系统公司重新开始设计自己的高度定制芯片的情况下，如何满足获得更高性能的需求。

“这里有两个世界。一个是标准产品的世界，另一个是针对特定应用的产品的世界，”萨伯拉曼尼亚表示。他指的是索尼(Sony)前高管辻本(Tsugio Makimoto)提出的波动概念，即随着竞争格局的变化，芯片制造商在通用产品和高度定制产品之间切换。“如果你看看许多行业，它们可能从通用产品开始，然后转向特定应用，然后再回到通用产品。”

萨勃拉曼尼亚指出，在移动电话领域，近年来情况正好相反。“在移动数字蜂窝的早期——GSM时代——诺基亚和爱立信都在生产自己的芯片。然后我们开始得到德州仪器和高通公司提供的通用芯片，这些芯片被用于系统公司开发的设备中。系统公司也不再设计特定应用的设备。然后我们看到钟摆摆回了下一代。例如，在今天的5G领域，诺基亚正在使用他们在欧洲非常庞大的ASIC团队制造许多自己的芯片。”

问题是，尽管这些设计是软件密集型的，但它们包含专门针对某些算法进行调优的硬件模块，而这些算法在5G通信之外就没有那么有用了。类似的效应也在数据中心的硅芯片中生根发芽，加速器正被更广泛地用来取代通用处理器，以处理机器学习和其他大数据应用。

这可能会限制服务器刀片在离开云计算后重新用于其他应用程序的用途。重用倡导者预计，人工智能(AI)在更广泛的市场上的使用增长可能有助于避免这一问题。然而，一些硬件是高度特定于人工智能算法的，即使在看似相关的应用程序中也可能很难使用。

萨勃拉曼尼亚说:“这几乎是十年一次的波动。”“由于不同行业工作负载的异质性，我们看到了更多针对特定应用的工作的真正推动，而其关键驱动因素是价格、面积和性能。”

设计工程师开始面临的问题是，如何在设计时兼顾回收和碳排放，并认识到这两者可能指向不同的方向，特别是如果旨在促进两者的立法不能很好地平衡的话。超规模计算者将运算能量作为高性能计算机的主要需求，这并非不合理。这促进了高度专业化的加速器的使用，而这种加速器在其他地方很难重复使用。然而，它们也在为数据中心的可再生能源发电大举投资，而这对环境造成的损害要严重得多。

他们可能会发现，与对可再生能源的使用控制较少的制造和处置相比，通过将平衡转向在运营中消耗更多的能源，他们可以减少碳信用额的支出。

Subramanian指出，处理器制造商对现场可编程门阵列(FPGA)设备主要供应商的收购，以及系统公司正在设计的片上系统(SoC)引擎中越来越多地使用嵌入式FPGA内核，这可能有助于向更通用的硬件转移。

萨勃拉曼尼亚说:“它不是最强大和性能优化的解决方案，但它是为你重新设计专用于加速的逻辑提供了最大灵活性的解决方案。”可编程硬件可能被证明是服务器更可持续的选择。但便携式设备的电池寿命就是一切，可能需要定制的加速器，很难重新利用。

当电子产品最终需要送往垃圾场时，另一个问题是，这些产品有多少可以被设计为可回收的。一些工作正在研究可生物降解的基材和粘合方法，以避免进行大量的机械撕碎，因为这会产生灰尘。系统制造商开始进行一些机械上的改变。然而，更容易分解的产品在实际应用中可能远不那么可靠。

最大的实际变化可能不是交付那些不费多大力气就分解的产品，而是描述如何或应该回收什么东西的信息。英国政府提出的一种可能性是，将更有效的标签与中央材料数据库结合起来，记录这些产品的成分，但这一特定项目目前被搁置。考虑到市场上已经有大量电子产品没有很好地贴上标签，这样的数据库将需要数年时间才能对相当一部分可回收材料有用。在那之前，筛选世界上的电子垃圾将是一场大规模的寻宝活动。