萊特兄弟 平凡但執著—《飛翔之夢》譯後感

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。

本文由 我的青航時代－2023航發會×暑期航空營 委託，泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣，地形複雜，天氣的變化多端，比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報，才能順利規劃日常生活起居；在天空中翺翔的飛機，同樣也必須仰賴航空氣象的資訊，才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧！

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事，如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事，都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告，台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中，「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全，能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報，供飛航作業人員參考，便至關重要。

那麽氣象資訊是怎麽來的呢？幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場，堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺（松山、桃園、高雄、豐年及金門）與 5 個任務臺（蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿）^[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責，就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援，全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來？來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測，絕對少不了各種氣象裝備的幫忙！任憑氣象七十二變，氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況，確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統（Automatic Weather Observation System，簡稱 AWOS），是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目，讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時，最擔心遇到增加飛行難度的風切（Wind Shear）。風切指的是大氣中不同兩點之間，風速或風向的劇烈變化。低空風切（Low-level wind shear）則是指 1600 呎（500 公尺）以下空氣層中的風切，可能造成飛機難以操控而被迫重飛，甚至失速導致飛航事故，因此需格外注意。

針對棘手的風切問題，氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統（Low Level Wind-Shear Alert System，簡稱 LLWAS），利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時，系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊，提醒氣象觀測員及塔臺管制員，發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達（Doppler weather radar），長得就像一個巨型氣球，是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達，掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員，負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警，可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動，提供資訊給飛航相關人員作業參考，確保飛行安全。

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密！

如果你拿到一份航空氣象報告，恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼，其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀，就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途，航空氣象報告可以分成不同的類型，以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模，航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告（Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report，簡稱 METAR），供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時，則會發布機場特別天氣報告（Aviation Special Weather Report，簡稱 SPECI）。另外，觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報，提供航機進行作業因應規劃。

若需要預測更長程的天氣變化，臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報（Terminal Aerodrome Forecasts，簡稱 TAF），其有效時間長度分為 30 小時／24 小時／18 小時等三類，讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃，作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上！如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中，天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便，更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴，航空公司可能會取消或延誤航班，以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變，機師也可能需要改變飛行路線和高度，以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗：明明天氣很好，來到機場卻遇上航班延誤的消息，而感到困惑不解？這些讓旅客滿肚子哀怨的情況，其實也都是為了安全考量，所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好，並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時，機師必須完全看得見跑道及地面狀況，覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區，都可能造成能見度下降，造成飛機不能按時降落。飛行時，若航路前方有雷雨天氣，基於安全考量，機師通常會繞過或飛越，也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場，常因地形產生風切亂流，導致飛機降落困難，不得不重飛或返航，延誤航班。

此外，同樣是飛往某地的航班，也可能發生有些能走，有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同，適航標準也不同。即使是相同的機型，也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異，綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後，對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手，航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步，建設各項線上即時的氣象資訊服務，包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用，以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁，也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊，開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生，可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

【註解】

1. 任務臺業務分別由豐年 （業管蘭嶼、綠島）、高雄（業管恆春）、松山（業管北竿）及桃園（業管南竿）航空氣象臺負責管理。

1. 飛航服務總臺：航空氣象服務介紹
2. 飛航服務總臺：臺北航空氣象中心
3. 飛航服務總臺：氣象裝備
4. 台灣飛安統計（2012 – 2021）。國家運輸安全調查委員會。
5. 飛航服務總臺：桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
6. 航空氣象服務網
7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
9. Wikipedia – 終端機場天氣預報

日前，在距離美國海岸線一萬八千公尺的領空，飛彈 AIM-9X 擊中了一顆大型高空氣球；美國與加拿大國防部公開聲明，該氣球來自中國。

這顆氣球在被擊落之前經歷了一段相當漫長的旅程，從中國出發後，沿途經過日本、阿拉斯加、加拿大、美國本土，最後才在大西洋外海被擊落。

如何推算飛行路線

該飛行路徑是由美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）使用 HYSPLIT （Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模型計算出的。

HYSPLIT 為一計算模型，可模擬在 100 公里內大氣環境中，任何位置釋放煙霧等粒子後，其隨著大氣傳播和轉移的軌跡；常用於森林大火、工業區廢氣的擴散，如：加州大火、福島核災等事件，以模擬污染物擴散軌跡，確保其不會進入人口密集區。

若將 HYSPLIT 反向應用，就可透過計算擴散軌跡回推污染傳播路徑，以定位污染源位置。而此次的氣球事件，就是分析大氣氣流方向回推其可能路徑，最終推測出飛行起點位於中國。

氣球為何往東飛

氣球從太平洋西岸飛往東岸，原因不僅僅是為了要避開其他國家的領空，還因為這條「高空航線」只向東開放。在北半球的大氣環境中，風的方向通常是由副熱帶高壓帶吹向極地區域，加上科氏力影響，在中緯度高空會形成一條相當寬的「西風帶」；可想而知，也就成為了氣球環遊世界的最佳航線。西風帶會持續向東移動，對於颱風、洋流以及全球氣候系統都有深遠的影響。

既然氣球乘西風飛翔，為何氣球走的不是直線，而像是繞遠路呢？難道它真的利用自主動力，繞開敏感地區嗎？

打開空中地圖來看，這顆氣球在進入加拿大後，一路向南抵達美國本土，這與「空中快速道路」——噴射氣流的路徑高度相似，因此很可能氣球就是搭著這股氣流前行。噴射氣流通常位於對流層頂部，因巨大的氣壓與溫度差，流速每小時可高達 200 至 300 公里；過去就有人利用噴射氣流降低航空器的油耗，甚至嘗試用來發電。

既然它是搭乘噴射氣流移動，所以它應該就沒有動力囉？也不一定。目前無法知道這顆探測氣球的確切規格，其搭載的太陽能板除了提供儀器電力外，也可能在某種程度上提供動力。

由於氣候影響很大，釋放氣球也得要考量季節。在冬季的降溫下，西風帶會變得更加寬廣，風速也較為強勁；等到了夏天北半球漸暖後，西風帶就會變得狹窄且緩慢。因此，不論是過去的日本氣球炸彈，還是這次的探測氣球，都選擇在冬季釋放。

然而，氣球的路程並沒有一路大順暢。就正常情況而言，氣球在兩天內就該飄離，但這趟旅程就這麼剛好地遇到了平流層突然變暖，使得西風帶減弱，造成氣球的飄移速度下降，也就在美國本土多滯留了幾天。

究竟飛多高

這顆氣球在離開美國時，高度預計在一萬八千公尺以上。

民航機通常會選擇在一萬一千公尺的高度飛行，這剛好是大氣對流層與平流層的分界，平流層的氣流穩定性，使航程不那麼顛頗，而越往上空氣也會越稀薄，飛機越難取得足夠的爬升力。就氣球的一萬八千公尺而言，在美國現役的戰機中僅有 F－22 能上升到兩萬公尺，在安全距離內破壞氣球。

那為什麼不是以飛機用機槍將氣球射下呢？有必要用到要價 40 萬美金的響尾蛇飛彈嗎？過去加拿大也曾有氣象氣球失控朝著俄羅斯領空飛去，然而高速飛行的飛機不僅難以瞄準氣球，靠著打出的幾個小洞也無法將其擊落，只能盯著它慢慢洩氣，最後墜落。

這次美國等到氣球離開陸地再一次性擊落，在能掌握情況的前提下，可能為最佳方式了。

氣球比你想像得還要有用

氣球能上到一般航空器到不了的高度，充分展現了其戰略價值。

而能上到兩萬五千公尺以上的探空氣球，同步串聯全球大氣資料，各國氣象研究單位藉此分析出完整資料。探空氣球的任務就是在緩緩上升的過程中，紀錄每個高度的溫度、濕度、氣壓、風向、風速、GPS 訊號等變化，做到大氣垂直方向上最精細的測量。

全球的探空氣球會統一在格林威治時間 0 點與 12 點釋放，台灣當然也沒缺席，同時間也就是台灣早晚八點，會從彭佳嶼、新店、花蓮、馬公機場、屏東機場、綠島、東沙島等地釋放探空氣球，遇到特殊天氣，下午兩點還會再多放一次。

商業氣球還能用來做什麼？其實在馬斯克的星鏈計畫之前，Google 也有類似計畫——Project Loon，要讓全世界偏遠地區都能上網；Project Loon 使用的就是可上升至兩萬公尺的網路氣球，而這項技術早在 2013 年 6 月於紐西蘭實驗成功。雖然 Google 已於 2021 年放棄該計畫，但這種概念並沒有因此消失，可作為發生天災、或遭遇戰事時，便宜、方便的重要通訊替代方案。

這次的氣球漂流記，撇除牽扯到兩大強權國的政治角力，讓全球民眾見證了，看似不起眼的氣球，能完成超高難度的移動。

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