故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看（一）

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。

文／蕭俊傑（科學 X 博士）｜國家太空中心任務科學家

J 編按：在上一篇中，X 博士告訴我們原來看 NASA 不能只是看非常壯觀的「假」火箭、太空船，還有很多看似不起眼但超級重要的「真品」，需要大家去展覽中搜尋。接下來要帶大家看的是太空人的生活日常，各種太空必需品到底跟我們在地球用的、吃的有什麼不一樣？

5. 堅忍的耐力 ENDURANCE

原來，太空人要包尿布？！

太空探索的任務相當嚴苛，所以需要各種裝備配合太空人執行任務。首先從解決太空人生理問題的裝備開始，這個一看就知道是什麼東西吧？像是這一件白短褲其實就是「太空尿布」。當然尿布不是這個展區最重要的東西，擺放的地方也不是非常顯眼或突出，但是大家走過去時都會對它指指點點說上幾句，我聽不懂韓文，但是從語氣和表情大概可以猜到說話的人是驚奇加上好笑吧！

其實我沒有要大家看展都像我看這麼認真，休閒的看也不錯。不過如果在過程中誤會了某些展品的意義，而讓自己在特展中吸收到錯誤的知識那就不好了。

為什麼這麼說，我回台灣時會給我朋友看我拍回來的照片，很多人看到太空尿布這張照片的反應是：「原來太空人在太空尿尿都是尿在尿布裡喔～」。我相信也有很多人知道現代的太空船裡是有廁所的。我想強調的是，如果這些人沒看到這張照片，可能根本沒有想過太空人尿尿的問題，被問到太空人怎麼尿尿時也會回答「不知道」。知道自己不知道很好啊，不知為不知，是知也。但看到尿布之後，忽然就覺得太空人應該要穿尿布，如果沒有進一步去想這個問題，那可能就真的以為太空人只能尿在尿布上。自己引用一句我在科博館「科學的態度，決定你明日的高度」演講中所講的話：「科學學習中最危險的，不是無知、而是誤會」。錯誤的知識才是最可怕的。

早期的太空任務太空人的確需要太空尿布的幫忙，但新一代的太空船就裝設了「便器」可以使用，而太空尿布就只會在發射、降落，還有進行太空船外的太空漫步時才會穿。尤其是發射過程常常會因為天侯或是其他因素延遲，但這時太空人得乖乖坐好，不能亂跑，如果發射過程延遲太久，太空人們也就只能這樣尿下去了。

最後強調一下，尿布兩個字不是我亂亂講的，我在韓國展的英文說明上真的看到它寫 diaper 這個說明，但它正式名稱應該是 Maximum Absorption Garment，翻成「高容量吸收服」好了。

那大家一定會想再問，發射、降落或太空漫步時想小便可以尿尿在尿布裡，那如果想大便怎麼辦？那……就忍著吧。

圖片中另外一個東西就是「屎袋」（這是我自己翻譯的），早期執行阿波羅任務時使用。屎袋用的時候就是貼在屁股上，便完後混入殺菌劑再包起來。因為用屎袋實在太麻煩，所以在上太空之前跟任務執行中都會吃一些消化完殘留較少，也就是比較不會變成糞便的食物。其實有些問題不一定要有人告訴你才會有答案，從常理判斷，如果明天早上就要坐飛機去美國了，今天消夜應該就會避免去吃可能會拉肚子的麻辣火鍋。

太空食物好不好吃啊？（流口水）

生活另一件大事就是吃，也就是太空食物，這個展示櫃中有各色各樣的太空食物。

太空食物指的是為了配合太空人執行任務時，不論是食用的方式也好、保存的方式也好，把原本地球上有的食物經過特殊的加工與包裝製成的食物。太空食物為了延長保存期限，大多會以真空方式做包裝，而真空包裝可以再分為袋裝、罐裝及軟管裝（就是像牙膏）。

從照片中來看，標示 1 是葡萄柚汁，標示 2 是咖啡，像這類液態的食物就適合用袋裝。洋芋泥與沙拉放袋子裡吃起來較不方便，所以就要放在像標示 5 這樣的罐子裡，威化餅這種東西容易碎掉，所以裝在 7 號這種罐子。裝在 17 這種牙膏容器的是「混合了糖的果子」，這是俄國太空食物，猜想應該像是含有果粒的果醬。延長食物保存期限有一個方法是脫水，把水果用糖去醃漬，因為水份滲透的關係將水果脫水，這就是為什麼蜜餞是水果做的，但卻比水果更不容易腐敗的原因。

看到 19 的時候真是讓我驚呆了，旁邊的說明寫的是 AMBASSADOR VODKA，VODKA 不是伏特加酒嗎？標示 17、18、19 都是蘇聯太空食物，蘇聯人愛喝伏特加酒也是很正常的事，但太空任務怎麼可能可以喝酒呢？其實這個裡面裝的是羅宋湯，只是在標籤貼上 VODKA 而已，太空人喝的羅宋湯有沒有加 VODKA 在裡面就不知道了。

最後再強調一點，既然太空人帶上太空吃的食物就可以叫做太空食物，那有些食物本來就很「耐久」，這些食物就可以包裝好之後直接帶上太空。台灣特展的現場會有賣太空食物，現場會有哪些口味還不知道，但 X 博士在其他場合已經吃過很多種了，包括太空冰淇淋、太空草莓、太空香蕉、太空章魚燒、太空麻糬、太空布丁等。要問我是在哪裡買的，有些是在日本太空中心 JAXA 的筑波中心「JAXA宇宙航空研究開發機構筑波宇宙中心」，這也是一個可以預約參觀的地方，如果是日文版網頁找「預約見学」就有。他們在參訪後出口處的賣店有販售。從東京秋葉原坐筑波Expess可以到，下車後還要轉計程車。美國偶爾可以看到的Discovery channel store、台灣的賽先生科學玩具也可以買得到。另外一個是日本九州的太空世界Space World，這裡的賣店是我看過，在同一間店有賣最最多種太空食物的地方了。

買的時候要怎麼選？大家可以想一下，如果這個食物只是把它「包起來」就可以帶上太空的話，那你吃到的可能會跟一般地球上的味道差不多。以水果類來說，其實很多健康食品店也都有賣脫水的零食水果片，太空食物的水果就吃起來差不多。但太空冰淇淋脫水後吃起來就跟平常的冰淇淋很不一樣，至於是什麼味道，冰淇淋是乳製品，乳製品在常溫下脫水，大家可以想想看生活中有哪個東西擁有這樣的特性，大概就知道了。太空食物絕對沒有地球上食物美味，但買來吃吃看一定是難得的體驗。

太空服用處多

接下來是太空服。展場中陳列的，下方圖中這件其實不是太空服，而是美國空軍（United States Air Force, USAF）用的高空壓力裝（high altitude pressure suit）。為什麼需要壓力裝？飛機飛得再快不會讓人不舒服；但飛機如果有很大的速度變化，或者是急轉彎，如果用國中理化的語言來講，就是有很大的「加速度」時，人的身體就會受到影響。

戰機在空中戰鬥時，常常需要有急轉彎、急爬升等劇烈的動作。飛行員雖然是坐在椅子上，但體內的血液是保持流動的。如果有一個急速爬升的動作，飛行員體內的血液會因為慣性的關係往下半身流，這時候如果腦內沒有足夠的血液，就會造成飛行員的暈眩，這種情形跟蹲久了忽然站起來會暈的意思一樣。要避免這種情形，飛行員的壓力裝會非常的「緊」，把血液用外力把它壓住，避免在戰機做劇烈的動作時造成飛行員的暈眩。

其他後面幾件太空服也是大有來頭。包括了雙子星計畫、阿波羅計畫、水星計畫中的太空服都有展示。講到太空服，大家馬上聯想到的就是「太空中沒有空氣」，所以需要太空服提供太空人所需要的空氣。但是空氣的功能除了讓太空人可以呼吸之外，空氣也同時提供太空人與地面環境相近的空氣壓力，讓太空人的身體狀況可以維持正常運作。

除了空氣之外，它還有一些非常重要的功能。首先，地球上因為有臭氧層的保護，所以不會接收到太多從太陽來的紫外線，但太空人的活動環境在臭氧層外，所以就需要太空服來隔絕紫外線。而地球上還有由地球磁場所建立的磁層，磁層可以阻擋太陽所噴發出來的高速電漿粒子，也就是「太陽風」。極光就是由太陽風所造成的景觀。同樣的道理，身處於太空環境的太空人不像地面上可以受到磁層充足的保護，因此太空服也需要具有阻隔太陽風的功能。

J 編按：展覽中還有更多科學 X 博士沒辦法一一介紹的有趣展品，有興趣的朋友可以到 NASA 一場人類冒險台灣展中看看人類在太空探索中做的各種努力，換個方式一圓小時候那個太空夢。

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看（一）

真品沒人看 模型搶拍照—NASA特展搶先看（二）

文／蕭俊傑（科學 X 博士）｜國家太空中心任務科學家

J 編按：在上一篇中介紹人類從開始幻想上太空，到真真正正開始啟動各種太空計畫，以及美蘇之間緊張刺激的太空競賽。接下來，人類前往太空已不再是夢想，我們逐漸發展出各種高科技，帶領我們探索地球之外的宇宙奧秘。

我在韓國首爾 NASA 展看到一個很有趣的現象：假的東西大家搶著看、真的東西大家不知道怎麼看。

看展花錢、花時間，除非你很清楚你的目的是只是想要拍照、打卡、上傳，不然如果能在看展前對內容多一點了解，那在看展時就會更知道要看什麼門道，上傳 FB 時也可以多打幾個字，讓你的朋友們知道照片中這個東西到底有多厲害！

什麼是展場中「假的東西」，什麼又是「真的東西」。我講「假的東西」不是策展單位故意拿假的東西給你看，我舉個例子來講，像是火箭、太空船已經被射到太空中去了，怎麼可能拿出真的來給你看呢？為了讓民眾能了解它的樣子，所以需要一個「模型」來展示，讓大家從視覺上來感受這個沒有辦法出現在現場的東西。那什麼又是「真的東西」？玻璃櫃中展示的 V2 彈道飛彈的碎片，就是其中重要的真品。V2 彈道飛彈是世界上第一個長距離彈道飛彈，在二次世界大戰時出現。雖然它的外觀看起來沒有火箭模型炫，但在看一個科學特展時如果想要更深入的去欣賞一個展品的話，把感情與歷史放進去將一起來看就會有不同的感受。

接著讓我們回到 NASA 特展韓國展的現場：

 4. 探險先鋒 PIONEERS

這個展區中介紹了很多重要的火箭與引擎。

在這邊可以看到農神五號火箭（SATURN V），它是史上最大的火箭，高度達到 110.6 公尺。登陸月球的阿波羅計畫就是使用農神五號火箭。這邊常常聽到一個大家對火箭名稱的誤解。SATURN V 這個名字指的並不是「這一支火箭」的火箭，而是「這一型火箭」，SATURN V 一共發射了 13 次，阿姆斯壯他們登陸月球是第 6 次。

從照片中可以看出在火箭最前端的地方，有一個像是尖塔的東西，那其實是太空人的逃生裝置發射逃生系統（launch escape system, LES）。在太空人登上火箭後，如果在火箭發射過程初期發生問題，LES 會帶太空人離開火箭，等到火箭升空到一定高度後，為減輕重量 LES 會脫離火箭，而如果在那之後火箭才發生問題，那太空人就自能自求多福了。

除了最搶眼的 SATURN V，這裡還有泰坦一號（TITAN I）的引擎。有些火箭會分節（stage），第 1 節、第 2 節、第 3 節是從火箭下方往上算，最下面的叫第 1 節。TITAN I 是美國第一枚多節式洲際彈道飛彈，共有兩節。火箭的目的是把太空船或是衛星（這些會稱為火箭的酬載）送上太空，但火箭的重量遠遠超過酬載本身，也就是說太空船或是衛星本身重量不重，重的是把它送上太空的火箭。所以為了減輕重量，火箭把部份燃料用完之後，就會把第一節（stage 1）脫離，第二節引擎點火繼續飛向太空。但大家也不要覺得把火箭分節可以減輕重量，所以分節分越多越好。因為分節雖然有減輕重量的好處，但卻有以下壞處：

1. 脫離失敗

火箭節與節之間是用像是「栓」這樣的東西鎖在一起，脫離時是用適量的火藥把栓炸斷，如果炸栓過程不順利，就有可能脫離失敗。

2. 點火失敗

第一點火箭脫離後，第二點火箭的引擎就要接著點火。就像家中瓦斯爐的電子點火，有時第一下火沒點起來，我們可以點第二下、第三下。第一節火箭在地面上點火，如果點火失敗還可以補救；第二節以上的火箭都要在空中點火，如果點火失敗任務就玩完了。

以上兩點都要在空中進行，兩節火箭（TITAN I）要做一次空中脫離＋點火、三節火箭（SATURN V）要做兩次空中脫離＋點火。這些動作都是做越多次越危險。

3. 引擎太多

每增加一節，就需要增加一組引擎，引擎不但占重量，而且要花錢。所以太多節也會有引擎太多的缺點。發射前只有第一節引擎是外露的，第二節以上的引擎都是包在火箭本體裡面，所以大家在展場看 TITAN I 引擎的時候，不用看說明就知道哪一個是第一節，因為第一節的會長得比較大。

4. 結構變弱

一個完整的火箭，如果分太多節，想也知道整個結構強度會減低，這也是一個分節的缺點。

展示櫃中有一個很顯眼的牛仔帽，這個是火箭之父華納．馮．布朗（Wernher von Braun）的，雖然與太空科學沒有直接關係，但也算是重要的歷史文物了。旁邊皫碎片就是我前面提到的在二次世界大戰時出現，世界上第一個長距離彈道飛彈 V2 彈道飛彈的碎片。

這個展示櫃中是各種火箭與太空梭的模型，所有的比例都是 1/72。大家可以對各種火箭的大小有個比較。

最後有一個我覺得很可愛的東西，展區入口有一塊玻璃，感覺上好像是一塊透明的黑板。這是一個拍照的好地方，大家可以站在玻璃的這一邊，假裝在跟其他人講解太空船軌道相關原理，拍照的人從玻璃的另一邊來拍照。

這片玻璃上面的公式跟圖我簡單介紹一下：大家國中時都學過 F=ma，這是牛頓第二運動定律，F 是力，m 是質量，在地球上的很多狀況就直接等於重量，a 是加速度。我用很不嚴謹的白話來講就是「讓一個東西加速需要花力氣、把一個東西減速也需要花力氣，而這個東西重量越重，這個力氣也要越大」。如果不計任何阻力（空氣阻力也不計），讓一個東西一直保持一樣快（a = 0）是不需要力氣的。我們身邊的東西常常會有速度的增加或減少，學校也會有題目叫我們算說把 100 公斤的物體從靜止加速到多少，需要花多少的力氣。大家注意一下這個題目：它告訴你把「100公斤的物體」，其實已經設定了這個物體的質量是固定的，但在太空中的太空船的質量會改變的，像是脫離、燃料減少，或是把東西放在月球上、從月球又帶了石頭回來等等的原因，都會改變太空船的質量，所以在用 F=ma 這個公式時，不止 a 會變，m 也會改變。（你在這塊玻璃前面講前面這段話，應該可以唬住一些人吧！）

我本來以為是韓國展場的裝潢而非展示品的一部份，後來經過確認這片玻璃也會在台灣展出現。

J 編按：這趟旅行還沒有結束，人類上太空不只靠火箭、太空船，還有很多在太空生活的必需品，食衣住行樣樣不能少阿！

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看（一）

太空人只能尿在尿布上？誤會比無知更危險—NASA特展搶先看（三）

本文轉載自作者網站科學X博士