災難，然後（三）：遷村的思維

本文與 高柏科技 合作，泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達（NVIDIA）、Google、微軟，甚至是 Meta 的存在，究竟是什麼？答案或許並非更強大的 AI，也不是更高速的晶片，而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初，搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機，傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題，但這場「科技 vs. 熱」的對決，才剛剛開始。 

不僅僅是輝達，微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中，希望藉由洋流降溫；而更激進的做法，則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中，來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

但這些方法真的有效嗎？安全嗎？從大型數據中心到你手上的手機，散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技，一同看看如何用科學破解這場高溫危機！

運算=發熱？為何電腦必然會發熱？

這並非新問題，1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時，就提出了「蘭道爾原理」（Landauer Principle），他根據熱力學提出，當進行計算或訊息處理時，即便是理論上最有效率的電腦，還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失，系統的熵就會上升，而隨著熵的增加，也會產生熱能。

換句話說，當計算是不可逆的時候，就像產品無法回收再利用，而是進到垃圾場燒掉一樣，會產生許多廢熱。

要解決問題，得用科學方法。在一個系統中，我們通常以「熱設計功耗」（TDP，Thermal Design Power）來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說，TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量，通常以瓦特（W）為單位。也就是說，TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP，例如AMD的CPU 9950X，TDP是170W，GeForce RTX 5090則高達575W，伺服器用的晶片，則可能動輒千瓦以上。

散熱不僅是AI伺服器的問題，電動車、儲能設備、甚至低軌衛星，都需要高效散熱技術，這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料（TIM）」：提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡，散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料，而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中，晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合，表面多少會有細微間隙，而這些縫隙如果藏了空氣，就會變成「隔熱層」，阻礙熱傳導。

為了解決這個問題，需要一種關鍵材料，導熱介面材料（TIM，Thermal Interface Material）。它的任務就是填補這些縫隙，讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」，即使主線有再多車道，如果匝道堵住了，車流還是無法順利進入高速公路。同樣地，如果 TIM 的導熱效果不好，熱量就會卡在晶片與散熱片之間，導致散熱效率下降。

那麼，要怎麼提升 TIM 的效能呢？很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁，若要更高效的散熱材料，則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成：高導熱粉末（如金屬或陶瓷粉末）與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好，盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了，受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸，高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後，會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題，高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」，說是凝膠，但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄，比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK，到這裡，「匝道」的問題解決了，接下來的問題是：這條散熱高速公路該怎麼設計？你會選擇氣冷、水冷，還是更先進的浸沒式散熱呢？

液冷與 3D VC 散熱技術：未來高效散熱方案解析

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量，也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限，因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷，熱量在經過 TIM 後進入水冷頭，水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好，且增加的體積不大。唯一需要注意的是，萬一元件損壞，可能會因為漏液而損害其他元件，且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮，可以考慮另一種方案，「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義，就是把均溫板層層疊起來，變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板，原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」，直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中，會放入容易汽化的工作流體，當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化，當熱量被帶走，汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法，最大的特點是：導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻，不會有熱都聚集在入口（熱源處）的情況，能更有效降溫。

整個 3DVC 的設計，是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯，能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC，就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是，工作流體移動的過程經過設計，因此不用插電，成本僅有水冷的十分之一。但相對的，因為是被動式散熱，其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC，高柏科技一直致力於不斷創新，並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積，高柏科技開發了6項專利技術，涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後，均溫板不僅保有高導熱性，還增強了結構強度，顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步，有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術，將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中，許多冷卻液會選擇沸點較低的物質，因此就像均溫板一樣，可以透過汽化來吸收掉大量的熱，形成泡泡向上浮，達到快速散熱的效果。

然而，因為水會導電，因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些，但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時，很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS，這是一種永久污染物，會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液，例如礦物油、其他油品，又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

另外，把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等，都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證，相信很快就能推出更強大的散熱模組。

採訪編輯 / 陳妤寧

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

當全球暖化無法回頭，海平面上升的問題正威脅全世界的島國居民，而荷蘭跟英國相繼發明與水共生的「兩棲屋」，引起台灣人的一陣欣羨。究竟台灣的河川氾濫和沿海地層下陷地區，是否有引進這項發明的可能？台灣的建築技術，有可能發展出自己的防洪建築嗎？這次專題邀請到銘傳大學建築系的王价巨老師，和我們分享他對於國內外防洪建築以及各地地理條件的觀察和體認。

超級比一比：荷蘭和英國的「兩棲屋」差在哪裡？

荷蘭是個低地國，是發展防洪建築中的始祖。由設計師 Koen Oltuls 率先挑戰的兩棲屋（Amphibious House）是歐洲第一座浮動住宅，每一棟兩棲屋都可以跟其他兩棲屋相互連結，當水漫進來時，互相鏈結扣合的兩棲屋彼此順著水安全地漂浮，與船屋的概念異曲同工。

英國的兩棲屋也隨後跟上，與荷蘭不同，英國的兩棲屋建築座落在穴地之中，平常像是停放在船塢內，當基地開始淹水時，透過油壓加壓方式將房屋往上推，因此必須為輕量建築，大多為木構。而英國的兩棲屋整體造價也較高昂。

王价巨老師分析，台灣由於山高水急的地理環境，荷式的水平漂浮兩棲屋並不舒適，同樣在急流環境下創造出的英國兩棲屋則和台灣條件較為貼近。然而在成本效益上，台灣的都市區域尚無建造的迫切性，地層下陷的沿海地區雖然可能需要，但偏鄉地區更難以負擔這等「豪宅」造價。各種建築技術從可行性評估、規劃設計、營造施工到使用管理，成本都需要隨著技術發展普及，才能下降至多數人可負擔的價格。

不管是哪一種兩棲屋，其實最重要的是回到當地自然條件的考量，舉例來說，美國幅員廣大，各州面對的天災類型不一，加州基本上以地震為主、德州以颶風為主。但在台灣，七成以上的人同時面對三種以上的潛在災害，九成以上的人同時面對兩種以上的潛在災害。因此，屬於複合性災害地區的台灣在設計防災建築時，必須同時考量全方位的災害類型，以一度引起熱議的防洪高腳屋為例，就必須考慮到地震來臨時的「軟腳效應」問題。

建築技術背後，基地的先天條件檢查？

在鑽研更進步的建築技術之前，更重要的其實是評估建築基地的先天環境條件。如果基地位處「多災多難」的地域，建築技術做再多的努力都是「孤臣無力可回天」。王价巨老師強調，台灣其實擁有十分豐富的災害潛勢圖資，例如在負責水災的水利署、負責土石流的水保局、負責震災的消防署的官網上，都可下載災害潛勢地圖。然而台灣的相關規劃卻未能和這些研究結果相連結，偏重以人口作為規劃依據。

理想的災害管理應上拉到國土規劃、都市規劃、社區規劃、最後才是建築本體。在國土規劃的層級，國家應整合出各種環境承載力、脆弱度與災害潛勢的綜合分析，釐清各類災害易發區域，做為指導後續計畫的依據；都市規劃的層級應進一步規範出哪些地點可以開發、哪些位置應禁限建，或規劃為滯洪區、公園等可以與災害相容的土地使用分區；社區規劃則以街廓為單位，以更精細的尺度，規劃水流路徑和可以停留的位置、建築物該留設的緩衝空間等。到了災害管理鏈中最末端的建築，已經是在無法改變的基地上進行開發的階段，可行的措施包含可吸收水氣的綠屋頂、垂直綠化，以及蓄水的透水鋪面或雨水園，一求「下滲」涵養地下水，二求「貯留」降水在城市空間後加以利用。

如果再降到社區管委會或是家戶的個人層級，能夠做的便是添設雨水撲滿或定期水管健檢；然而這些都必須建立在大眾對於防災觀念的基礎上。王价巨老師說：「有些大樓原本有很不錯的低地可以規劃成具有滯洪功能的公共遊憩空間，但社區管委會一方面考慮到維護成本，另一方面也無滯洪儲水的觀念，往往就會選擇直接將低地填補起來。」

從排水到蓄水，防災貯水一兼二顧

在近年推廣「海綿城市」的觀念之前，台灣人的觀念總是想方設法的不讓水流進來、或是務求儘快排出去；然而台灣是個缺水的國家，如果建築物能夠善加利用地勢儲水，不但可以減輕城市下水道負擔、減輕淹水災情，更可進一步加以利用這些水資源。然而在相關法規尚未完善之前，建商通常只會一味將地基加高，讓水往街道流；這種狀況甚至在公園的建造上也不例外。於是面臨水災時，就只能採取堆沙包、水閘門等消極因應的做法。

以桃園的埤塘為例，埤塘和水圳的連結可以調洪而不外漫淹水。但隨著越來越多埤塘被填掉，桃園台地近年來淹水情況也正在惡化了。其實，防災建築在氣候變遷的未來會更為重要，諸如海平面上升等問題，都需要在規劃的基礎上，進而借助防災建築在技術上的協助、以及更突破框架的未來城市思維。從災害的類別、頻率和強度的不同，台灣需要發展一套屬於自己與水災風險共存的方式。

呼應前面提到的災害潛勢圖和規劃的結合問題，王价巨老師表示這項基礎建設必須仰賴政府由上而下的規劃和指導，輔以更為完善的法令，私部門的開發商和建築師才有可遵循的依據，否則仍會回到容積率或建蔽率導向的開發，忽略環境承載力的問題。

建築是生活的容器：我們居住在建築中、在建築內上班辦公、連通勤時所搭乘的公共運輸系統，也屬於另一種建築空間形式。因此，我們格外關心建築工程的防災能力。這次專訪中王价巨老師提供了一個更為廣闊的思考角度，帶領我們思考整個台灣社會的防災思維、以及公部門和私部門在防災上的權責角色。在建築背後的基地條件和用地規劃，是一般市民平時難以碰觸的領域，卻是學者專家和政府部門的責任，也需要公民的關注和監督，才能讓台灣的防災建設再向前一步。（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣）執行團隊撰稿）

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

建築與防災系列專題：

文 / 陳妤寧

從 2001 年的九一一事件、2005 年重創紐奧良的卡崔娜颶風、一直到 2013 年的波士頓馬拉松爆炸案，美國的防救災發展階段從自然災害，擴展到了人為恐怖攻擊的各種「緊急」事件，也在防救災產業上帶來許多轉捩點。

美國東南方的喬治亞州在 2012 年出現了全世界規模最大的第一個私營「模擬災難」訓練場地：守護者中心（Guardian Centers）。這裡可以模擬各種規模的各種災難現場，包括被洪水淹沒的民房、因地震而倒塌的建築物、在立體停車場中被壓扁的汽車、遭到毒氣攻擊的地鐵隧道及車廂……這裡的災難場景應有盡有，並且二十四小時全年開放。

守護者中心佔地約 3.3 平方公里，其中 1.4 平方公里充滿了各類型的「斷垣殘壁」，以最逼真的方式提供救難隊實境訓練的機會。除此之外還有校舍、幼稚園、餐廳、商店，可說是以一個模擬城市的規模，進行救災的全方位訓練。救難隊在此除了進行破門而入、傷員鑑別分類等狹義搜救行動之外，也能從全局模擬指揮一整場災難行動的牽涉到的各種面向。舉例來說，守護者中心有一條 1.6 公里長的四線道模擬高速公路。演習時上面可能被破損的車輛和大批的傷患演員所堵塞。救難隊在這個「救災劇本」中甚至無法直接進入災難現場，他們必須先進行道路淨空，並且權衡他們行動的優先次序以及人力分配。

以「仿真」為最高考量的各種災難場景設計

在這座模擬災難城市中，模傚了西雅圖的大都市路網設計，如果獨自站在街道中，彷彿可以體驗地球上最後一個倖存者的感受。倒塌的屋舍是根據紐西蘭基督城在 2011 年地震的坍塌建築所打造的。此外還有可以用鉸鍊和起重機調整樓板坍塌角度的立體停車場，這樣的設計精神使得學員每次來到守護者中心參加的災難現場都能有所不同，而沒有所謂的「駕輕就熟」。現場還有300輛雪佛蘭在 2012 年珊迪颶風之中損壞的汽車，這些車子原本預計被送到汽車回收場報廢，不過雪佛蘭選擇捐到守護者中心，作為救援模擬的道具車。

守護者中心的模擬地鐵包含了五百多公尺長的雙軌道地鐵隧道、8輛從華盛頓地鐵站運來的退役車廂、以及一個地鐵月台，可重現 2004 年馬德里地鐵的恐怖攻擊。「救難隊平時如果希望可以在真正的地鐵站進行演習，勢必需要在地鐵系統因維護而對外關閉時進行，這種作法在實務上不但難以預約場地，成本上也難以負擔。」守護者中心的隧道環境的亮度、溫度都可以調整，也可以增加淹水、煙霧、火花甚至噪音等「聲光效果」。

守護者中心還複製了卡崔娜颶風下受創最重的紐奧良第九區淹水景況，8棟含後院的平房被設計為一個小社區，而這個容量超過2,000萬公升的大水池，可以將房子淹到將近 2.5 公尺深。演習時的災民扮演者可能會被困在屋頂上，也可能被困在閣樓之中，等待救難隊划船過來並破門救出他們。這些住家的室內裝潢與擺設也有別於市區建築，當救難者進入時，首當其衝的很可能是滿室漂浮的衣服和玩具。這些細心的細部設計創造了最貼近現實的災難現場。

防災是門好產業？私營救災中心顯示出的場地需求

像守護者中心這樣的「模擬災難城市」其實並非先例，德州農工大學的災難城市（Disaster City）也提供了世界各地的搜救人員進行實境演練的場地。不過守護者中心的其中一個特別之處，在於他完全由私人出資設立。作為一個民間投資成立的巨型訓練場地，守護者中心的優勢在於有很大的彈性可以因應客戶的需求，開發新的功能設備或服務，包括各種客製化的「救災劇本」。例如來自太平洋西北地區的救難隊，可以要求地面增加積水，來模擬當地多雨的氣候情境。

創辦人喬夫伯卡特（Geoff Burkart）過去是飛機技師，在卡崔娜颶風期間，他日以繼夜的指揮公司的飛機到各地進行電信系統的搶修，幾個月下來後，「成立像守護者中心這種場地的想法漸漸在我心中成形，我希望可以做出更多改變。」伯卡特決定離職，並開始花費自己的積蓄四處拜訪救援相關團體，除了消防單位之外，他還諮詢了聯邦國土安全部和國防部，討論他們在訓練設施上的需求。「他們告訴我，相關單位都缺乏能夠同時容納大量救援人員進行大規模救災演習的場地。」

然後喬夫伯卡特花了 18 個月，尋找全國潛在的投資人、向他們做簡報、爭取 5000 萬美元的預算。儘管他過去完全沒有相關的經營經驗，而這塊業務過去也沒人嘗試過，「沒人認為這是個壞點子，他們只是需要先評估成本。」伯卡特說。最後，守護者中心在喬治亞州一塊閒置的飛彈工廠預定地上動工了，現在的守護者中心一次可容納七千人進行訓練，但喬夫伯卡特認為這樣的設備需求在美國還有持續發展的空間，他計畫在國內至少再增設三個訓練據點。

守護者中心的經營現況

這個中心粗估將為它所在的培里市帶來估計每年 7500 萬的周邊經濟效益。守護者中心正在推動他們的「廣告看板」業務。「企業或商家可以在建築物外部漆上他們的品牌和廣告，這也讓我們的模擬城市更加逼真，是項互利共生的雙贏方案。」「我們和通用汽車和雪佛蘭汽車進行的企業捐贈計畫，也是我們努力的發展方向之一。」

此外，有些前來進行訓練的救難隊開始希望可以直接在中心租借防護衣或其他設備，會較自行運送更為便利。「我們未來也會考慮和附近的設備租借商合作。」

守護者中心從 2012 年 12 月開始正式對外開放，已經和不少救援單位合作，包括美國海軍陸戰隊生化事故反應部隊、喬治亞州緊急事務管理署、喬治亞州調查局、喬治亞州搜救隊等等，不過守護者中心在外界仍尚未廣為打開知名度。（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！