必然有效的省電宣導與老舊設備汰換，能征服一年用電降2%的艱鉅挑戰嗎？─節電台南市篇

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。

用「資料科學」研究「空污」

大陸霾害何時來？台灣工廠排放的空污如何擴散？以前只能用自己的呼吸道偵測，現在「空氣盒子」為你即時追查 PM2.5 濃度變化。這不只是中研院資訊科學所陳伶志副研究員的計畫，更是一位技術宅父親對氣喘過敏兒的愛。

想像一下，若是大雄所居住的城市，充滿空氣污染。關心大雄的哆啦 A 夢，會拿出什麼道具來相救？也許哆啦 A 夢沒辦法把整個城市的空氣變乾淨，但可能會拿出「任意電視」，找出附近誰在亂燒垃圾，即時阻止對方。或是透過「預知天線」，提醒大雄今天戶外 PM2.5 濃度過高，出門要戴著口罩，否則吸多了會氣喘。

事實上，透過「開放資料」和「數據分析」，空氣盒子真的能即時追查空污真兇，並幫助預測空污擴散趨勢。推動空氣盒子這個想像實現的人正是陳伶志，以及其帶領的研究團隊、 LASS 社群 （Location Aware Sensing System）、政府單位和廣大鄉民，一起從下而上努力改變空污問題。

參與式感測：自己的環境自己救

陳伶志與團隊的主要研究領域為「參與式感測系統」，簡單而言，就是以某種裝置或網絡，偵測生活中的某個問題現象，透過群眾一起觀察所得的數據進行分析，找出問題的解決方法。生活中有許多問題，例如空污、塞車、路不平，若被動地等待政府解決往往緩不濟急。並非因為政府效率太差，而是因為不知道問題真兇藏在哪裡，例如眼前的空污是霾害？還是有工廠偷偷排放廢氣？

「參與式感測系統」最重要的目的，是以「自己的環境自己救」的概念出發，透過群眾自主觀察所得的大量數據，由專家分析找出問題癥結點，推動政府或相關單位採取行動、對症下藥。

關在倉庫測一氧化碳，用命拼研究

要研發出「高準確性」和「低成本」兼具的感測裝置，以供群眾使用，並非容易的事。以觀測空氣為題，從 2013 年開始，陳伶志與團隊嘗試過不同氣體的量測，例如：一氧化碳、二氧化碳、臭氧、二氧化氮等等，但因為氣體感測器誤差過大、校正過程太複雜，皆忍痛放棄。當時，為了在擬真的環境中，校正一氧化碳感測器的準確性，及比對低濃度和高濃度的數值，學生甚至將自家倉庫改造成實驗室待在裡頭，只留一個小縫、往裡面排送機車廢氣。「實在很擔心學生中毒」陳伶志回想。

2014 年底由於空氣污染加劇，大眾逐漸重視 PM2.5 濃度，加上兩歲的兒子因為氣喘成為醫院常客，陳伶志擔憂空污會讓氣喘跟著兒子一輩子，決定專攻「PM2.5 即時濃度感測」，嘗試透過研究找出空污變化模式、解決空污問題。可以即時追查 PM2.5 濃度的「空氣盒子」，因需求而誕生，更因父愛而堅持。

拉拔一個小孩長大成材，需要付出大量的時間與金錢；茁壯空氣盒子這個小孩，也付出了難以計算的心力與學費。陳伶志與團隊耗時三年，經歷失敗、崩潰、接受事實、再失敗的無數次迴圈，終於開發出品質穩定的空氣盒子原型。但這時候，困難才真正開始。

與社群合作 讓空氣盒子遍地開花

開發出可以普及使用的空氣盒子之後，初期面臨沒有民眾願意裝在自己家裡的窘境。「會不會耗電？會不會危險？有問題怎麼維修？」因為這些考量，初期只能將空氣盒子安裝在親朋好友圈，即時觀察到的 PM2.5 濃度數據非常侷限，缺少應用價值。

但就像《牧羊少年奇幻之旅》這本書的啟發：「當你真心渴望某件事，整個宇宙都會聯合起來幫助你完成。」努力找出路的陳伶志與研究團隊，經過朋友的朋友介紹，與認同「參與式感測」精神的 LASS 社群一拍即合。 LASS 社群由一群喜歡動手做的創客（Maker）組成，遍布台灣各地。了解空氣盒子程式碼、安裝步驟後，秉持創客精神，從「想」到「做」如星火燎原般，讓空氣盒子的身影在台灣各地出現， PM2.5 即時濃度觀測的時間與空間資料因而大幅擴展。觀測得到的數據變多、變廣，就能進一步分析空污變化的路徑。

開放資料 x 數據分析 空污真兇莫狡辯

以前總是呼吸道感染了，才知道空氣污染正在肆虐，很難阻止後續擴散或再發生，或是附近的工廠偷偷排放空污，卻沒有證據繩之以法。但現在透過分析各個空氣盒子感測到的 PM2.5 濃度數據，就能推算空污的原因、發生時間點，找出製造空污的真兇。陳伶志舉兩個觀測模式說明：

像是在 2015/12/20 這天，陳伶志注意到北部有一些空氣盒子觀測站，都出現 PM2.5 即時濃度「瞬間飆升」的情形（如上圖黃色箭頭所指），代表該地突然出現空氣污染源，常見的原因是燒東西、工廠排放廢氣等等。陳伶志將發生「PM2.5 即時濃度瞬間飆升」的空氣盒子觀測站 GPS 座標列在地圖上，並依瞬間飆升的時間排序（如上圖紅色打卡標所示）。搭配氣象資料指出，當時正吹著西南西風，可以看見空氣污染源是從西南方（ 15:36 開始）依序往東北方（ 18:18 抵達）擴散。

這種來自北部盆地西南方的空氣污染源，會是霾害嗎？
不太可能，應是台灣自造的空氣污染。

由於當時觀測到此現象時，空氣盒子觀測站尚未廣佈龜山、桃園、新竹一帶，也未與政府單位合作。若能進一步追查台北西南側的各個空氣盒子，找出 PM2.5 即時濃度瞬間飆升的「起始點」，應能通報相關單位前往該區，即時開罰空污排放源頭。

為了找出空污變化的模式，陳伶志每 5 分鐘記錄各地空氣盒子 PM2.5 即時濃度，並將異常數據歸納為以下三種，判斷哪區有持續性污染源、或找出哪邊突然產生空污：

1. 時間點異常（上圖藍色打卡標所示）：從時間軸來看，某個時間 PM2.5 濃度「瞬間飆升」，代表當地空氣污染是正在進行式。
2. 空間點異常（上圖紅色打卡標所示）：以區域來看，若某個區域 PM2.5 濃度與鄰近的空氣盒子相比更高，代表空氣污染源於「當地」產生，或是受到「他處」飄來的空污影響。
3. 空間與時間點異常（紫色打卡標所示）：上述兩種情況都發生，當地有空氣污染源的「可能性極高」。

舉個實例，陳伶志觀察到台北龍山寺該區的空氣盒子，「白天」持續顯示 PM2.5 濃度「空間點異常」，代表當地與鄰近區域相比，有持續性的空氣污染來源。將此觀察數據，搭配龍山寺的地理位置比對，燒香、燒紙錢造成的 PM2.5 高濃度影響，透過觀測數據顯而易見。

民間高手，讓空氣盒子能有更多應用

空氣盒子是採用開放資料（ Open Data），因此這不僅只有中研院資科所能用於研究計畫，無論學生科展、大學報告、民間團體等，都能依照陳伶志的空氣盒子架構，依照自己的需求改裝不同版本的空氣盒子，發揮各式各樣的靈活運用。

由於台中空氣品質很糟，努力守護家鄉環境的《台中市原鄉文化協會》，在空氣盒子推出初期，自掏腰包買了 100 台空氣盒子並發起認養活動，將空氣盒子廣佈台中各地，由民眾自主監督空氣污染來源。台中創客（ Maker ）還將空氣盒子改造成方便攜帶的行動版本，發現台中哪一區空氣品質不對勁，一群關心台中環境的市民，就彼此號召拿著行動版空氣盒子前往該區追查空污排放源頭。

國立交通大學資訊工程學系，由彭文志老師帶領的資料探勘（Data Mining）課程，也將開放資料的空氣盒子做為報告題目之一，讓學生自行發想如何應用空氣盒子的感測資料。例如將 PM2.5 觀測資料與實價登錄地圖結合，找出理想的乾淨空氣居住環境；或是找出 PM2.5 濃度變化的時間與地區模式，做出自動監控紫爆現況、預測空污擴散路徑的功能。

不只台灣需要！ 空氣盒子遍布世界

2016 年 2 月，零時政府 g0v 主動介接空氣盒子的開放資料，擴大觀測數據的影響力。 2016 年 3 月開始，台北市、新北市、台中市、台南市、高雄市政府也陸續加入空氣盒子計畫，由民間企業捐贈數百台空氣盒子，並佈建在各區域的小學校園，透過環境教育學習如何觀察 PM2.5 即時濃度變化，監督改善該區域的空污問題。

空氣盒子成功發展嚴謹的研究理論（感測器比對報告、空污模式演算法等），並建立與 LASS 、政府、民間企業的跨領域合作模式，形成領先全球的 PM2.5 即時感測網，吸引世界各國來台學習空氣盒子的經驗。 2016 年 9 月，陳伶志受邀到泰國演講，與東南亞合作觀測 PM2.5 濃度。例如印尼火耕霾害，鄰近的馬來西亞、新加坡，都會大受影響，惟有建立跨國的空氣盒子監測網，才能即時通報、協力找出對策。「因為空氣是流通的，空污不會只發生在一個國家的上空」陳伶志說。

談到未來目標，陳伶志希望推動空氣盒子成為智慧城市的物聯網一環，例如當戶外 PM2.5 濃度過高，室內的空氣清淨機就會自動打開，這功能不只有小孩的家庭需要，有呼吸照護需求的家庭與醫療照護機構更需要。

現在提到智慧城市，大家都會想到阿姆斯特丹、芝加哥，
未來希望國際也能透過「空氣盒子」想到台灣。

──中研院資訊所　陳伶志

延伸閱讀與參考資料

• 陳伶志的個人網頁
• LASS-開源公益環境感測網路
• PM2.5 開放資料：社群協同分析平台
• 自己的空氣品質自己量：談參與式環境感測的機會與挑戰
• 空氣盒子地圖
• 揪心安計畫

• 執行編輯｜林婷嫻    美術編輯｜張語辰