只會把食物放冰箱是不夠的，更要瞭解有效日期和保存方式

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。

哪些人會需要換肝呢？

需要換肝的族群年齡分佈大致上呈兩大族群，一邊是剛出生帶有先天疾病的小朋友，一邊是後天罹病的成年人^[1]。譬如說小兒科會見到的膽道閉鎖，這些小朋友天生膽道就發育不良，膽汁無法順利排到膽管，而淤積在肝臟。如果不處置，會在數個月後快速進展成肝衰竭而有生命危險。

成年人需要換肝的在在台灣以前常見的是因為 HBV 或 HCV 造成的猛爆性肝炎，現在可能就屬肝癌、酒精性肝炎、非酒精性脂肪肝炎、藥物中毒等最為大宗。依照巴賽隆納小細胞肝癌（hepatocellular carcinoma）治療指引^[2]，在肝功能還未受損太嚴重時，若腫瘤數目、大小、位置理想，肝癌病人是可以接受換肝手術，「治癒」肝癌的。這比起許多以延長幾個月的餘命為目標的癌症治療而言，是很難得的。

台灣其實是特例？國際肝臟移植的現況

據衛福部 2020 年統計數據，台灣 2005 至 2018 總計執行了 6211 例的肝臟移植，其中活體肝臟移植就佔了其中的 4915 例^[3]。所謂的「活體」移植就是在幾乎相同的時間內，兩個開刀房、兩組醫護人馬，同時開刀，一邊把受贈者有問題的肝臟取下，一邊把捐贈者的部分肝臟擷取，最後接到受贈者體內。這也常常躍升至媒體，如「捐肝救父」、「捐肝救子」的佳話。

活體移植不僅考驗主刀者的技術、也考驗醫護團隊的默契。開刀只是其中一關，開刀前的配對、開刀後的術後照顧、抗排斥治療等等，皆是重重的考驗。不過台灣日本等國家活體移植的盛行，其實是國際移植界的特例。

活體移植牽涉到的倫理議題，也讓台灣目前活體移植只限於親屬。若非親屬捐贈，則只能排隊，等意外死亡者的肝臟捐贈。所以在國際上行之有年、且更常見的其實是大體捐贈，一般上會是來自因意外或因疾病而腦死的病人。

肝臟從捐贈者體內被取出後，會在 2-5°C 的液態保存液中暫存，並且在數小時內必須移植到受贈者體內。這黃金數小時，是沒有血液灌流的，換句話說，肝臟組織無法有效率的得到生存所需的氧氣，以及排泄代謝廢物，所以一般來說會把這段黃金時間限縮在 12 小時內。如果算上捐贈肝臟組織的運輸以及兩個手術（捐贈以及受贈者）的時間，整個移植是一個跟時間賽跑的過程。如果到目前為止，這個任務還不夠艱鉅的話，我們可以看看美國的統計數字。

在美國大約有 17,000 人在等肝臟捐贈，但實際上每年只有約 6,500 個肝臟被捐贈^[4]。所以肝臟捐贈目前還是非常短缺的，而需要換肝的人在等待過程中，存活機率也一點一滴的流失。

全新的方向：瑞士的跨領域研究

在大體捐贈以及活體移植各有其限制的狀況下，一組在瑞士的人馬開始了一個全新的肝臟移植方式^[5]。這群人結合了工程、生物化學以及醫學專業，一起研發了一台機器，可以在體外模擬許多類似人體內的環境，讓肝臟在移植過程中，有最小的轉換過程。可能的環境衝擊包括溶血、血行動力學不穩、溫度控制、血糖控制、肝醣消耗、以及物理壓力造成的組織壞死。而在今年，他們發表了第一個使用此機器的人體肝臟移植案例。

肝臟組織是來自一個 29 歲的年輕病人，因為腹部硬纖維黏液瘤（desmoid fibromatosis），併發長期感染以及敗血症，為了要控制病情而必須切除部分肝臟組織。一般來說，這樣的肝臟組織是不會再捐出去的，不只因為有腫瘤病史，而且又有進行中的感染，如果腫瘤細胞在受贈者體內繼續生長，或是感染持續進行，那麼受贈者的預後一定也很慘淡。但是這組瑞士人馬，在經過捐贈、受贈者兩方同意後，決定利用手術後剩下的肝臟組織。於是這個被取下來的肝臟組織，在肝門靜脈、肝動脈、下大靜脈、以及總膽管都被恰當的接到機器上後，就開始了這個神奇的體外之旅。

一切的變因都盡量模擬體內環境，包括溫度（37 度）、血液灌流速度、脈衝式血壓，並且持續抗生素（因為捐贈者有細菌以及真菌感染）。三天後，這個肝臟再重回人體中，是位 62 歲的受贈者。

這個嘗試特別的地方在於，雖然肝臟在體外保存了三天，卻沒有在大體捐贈常見的組織再灌流傷害（是指經過一段缺血的時間後，血管重新被打通，血液帶來充足的氧氣，但同時也產生很多自由基），這是只有活體捐贈才比較能看到的優點。而且可能因為肝臟先天免疫功能的保留，後續的排斥反應並不明顯，病人術後的抗排斥藥用量逐步地降低。與此同時，體外保存期間還可以持續治療，譬如在這個例子中的抗生素治療，讓一些本來無法使用的組織，變成可以捐贈的祝福。

肝臟移植的一線曙光

雖然在台灣大體肝臟捐贈比較不常見，反而活體肝臟移植是比較盛行的做法，但活體移植仍存有道德辯證、危害健康捐贈者健康等等的疑慮。畢竟捐贈者一般都是健康人，而捐肝的大手術也是有一定的風險的。

在這個器官需求者眾、捐贈者匱乏的社會中，這個體外保存的技術絕對是一個令人興奮的新發明。只是就像任何新的醫學發明，臨床的資料需要長期而且大量病患的累積，才能有足夠的證據支持。這個幸運的受贈者已經持續被追蹤了一年，也許再五年、十年，再百個、千個病人，而有了世代研究，體外保存技術將會變成移植醫學的顯學。

1. Kasper, D. L., Fauci, A. S., Hauser, S. L., Longo, D. L. 1., Jameson, J. L., & Loscalzo, J. (2015). Harrison’s principles of internal medicine (19th edition.). New York: McGraw Hill Education.
2. Llovet, J.M., Fuster, J. and Bruix, J. (2004), The Barcelona approach: Diagnosis, staging, and treatment of hepatocellular carcinoma. Liver Transpl, 10: S115-S120. 
3. 衛福部公布：我肝移植成功率逾八成高雄長庚雙冠王
4. https://hospital.uillinois.edu/primary-and-specialty-care/transplantation-program/liver-transplantation/your-liver-transplant-options/cadaver-liver-transplant
5. Clavien, PA., Dutkowski, P., Mueller, M. et al. Transplantation of a human liver following 3 days of ex situ normothermic preservation. Nat Biotechnol (2022).

在古代有飛鴿傳書，在霍格華茲裡更有貓頭鷹負責寄送會發出聲響的信件。信件不僅是文字、訊息往來的方式，現今更可直接作為生物材料的寄送媒介。研究團隊發現，經冷凍乾燥處理的小鼠精子，可於沒有液態氮的環境中妥善保存，並且在室溫下帶於普通郵件中寄送。

傳統保存方式：充滿液態氮的超低溫環境

典型保存精子的方式，是將精子保存於液態氮或乾冰中，極低溫的環境可讓精子處於冷凍的狀態下進行運送。待解凍之後，會再透過人工授精或是試管外（in vitro）授精來繁衍後代^[2][3] 。然而，使用液態氮仍可能會產生一些問題，例如，在 196℃ 超低溫度下，進行樣本處理需要非常小心，因為液態氮可能會造成凍傷或是並且因飽和氣體造成窒息等問題，並且在部分國家及地區也可能有難以取得液態氮的問題。

除此之外，為了要讓小鼠精子一直維持在極低溫的環境，需不斷地補充液態氮，這也會造成昂貴的花費。因此，對於部分國家的研究機構來說，這樣難以保存小鼠基因來源。更不用說，若遇到停電、大災難等突發狀況可能會導致的極低溫的環境受到影響，小鼠精子解融、退冰，並導致精子無法使用。

玻璃安瓿保存法很讚，但仍不適合長期保存

為了解決低溫環境難以控制的問題，日本山梨大學（University of Yamanashi）生殖生物學家 Daiyu Ito 的研究團隊發展出一項技術，將小鼠精子放入細頸瓶或玻璃安瓿（Ampoules，一種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶，常用於盛裝藥品等溶液。）並置於 4℃ 的環境中三個月，然後再放置於室溫中 1 個月。經過冷凍乾燥處理，可放置於室溫環境中一年。雖然經過處理後的小鼠精子已死亡，無法移動，但精子中的 DNA 仍然維持完整性^[4]。

爾後，再將這些冷凍乾燥後的小鼠精子在注射入卵子時，一樣能繁衍出正常的後代。這項冷凍乾燥的技術已運用與許多物種，例如實驗小鼠、倉鼠、兔子、馬以及綿羊等物種^[5]。然而，使用玻璃安瓿仍有一些缺點。Daiyu Ito 說：「雖然玻璃安瓿的體積小，但它們相當笨重且易碎，容易影響小鼠後代的繁衍。所以將小鼠精子儲存在玻璃安瓿並不適合用來長期保存。因此，我們希望發展新的保存技術。」

紙類保存凍乾精子有搞頭，但哪種材質最適合？

為了找出最適合用於保存冷凍乾燥的小鼠精子（mouse FD spermatozoa）的材料，研究團隊檢測了六種材質，分別是：日式傳統和紙（Washi）、包裝紙（Wrap）、乙烯基板（Vinyl sheet）、秤量紙（Weighing paper）、過濾紙（Filter paper）、日式糖果紙（Oblate）。

首先，過濾紙（Filter paper）是不可以使用的，因為小鼠精子容易卡在紙上，並且在解凍時無法順利取出精子。日式糖果紙（Oblate）也被認為無法作為保存材料，原先認為當日式糖果紙全部溶解於水中，就可以輕易地將冷凍乾燥的精子取出。然而，實際試驗後才發現，日式糖果紙溶解時仍會有部分殘餘物，導致難以收集小鼠精子。此外，其餘的四種材料雖然可用於收集小鼠精子，但仍有一些小缺點，例如：包裝紙太容易撕破，乙烯基板則在乾燥的過程中容易損失精子。

相對來說，日式傳統和紙是個較好的材料，但是在於脫水後的恢復過程中容易汙染，使得收集小鼠精子會遇到困難。秤量紙相較於乙烯基板較薄，但比包裝紙還要硬，是可作為小鼠精子乾燥過程的材料。因此，在此六種材料中，秤量紙是最適合用來處理小鼠精子的。

且經實驗發現，無倫是保存在玻璃安瓿或四種材料（傳統和紙、包裝紙、乙烯基板及秤量紙）的冷凍乾燥小鼠精子，其精子受精率（fertilization rates）沒有顯著差異。然而，在胚胎的發展成桑葚胚（morulae）或囊胚（blastocyst）的比率，最高的是以秤量紙（Weighing paper）包裝的小鼠精子。

使胚胎妥善的發育的比率，是作為小鼠精子是否有成功保存最重要指標，而在四種材料中，使用秤量紙（Weighing paper）包裝的小鼠精子其後代存活率數值為 21%，後代存活比率數值最高。考量到精子發育的程度，以及材料操作容易程度，最後採用秤量紙包裝冷凍乾燥精子，並用塑膠片作為分隔是最適合的選項。

塑膠片會影響精子的DNA完整度嗎？

為進一步了解使用塑膠片保存精子是否會影響精子內的 DNA，研究團隊藉由彗星分析法（comet assay），來比較玻璃安瓿和塑膠片的精子中 DNA 的完整性。彗星分析法可用來檢測單細胞中 DNA 的損害程度，若 DNA 有損害，其結構會較為鬆散，斷裂或破碎的 DNA 片段會在進行電泳（gel）時被拖出細胞，在顯微鏡之下會呈現出一個類似彗星的形狀。不同程度的 DNA 損傷則會造成拖尾程度的差異，至於未損傷的 DNA 則會保持球狀。

從觀察結果得知，保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA，其彗星尾相較保存於塑膠片的小鼠精子 DNA 慧星尾長度稍短一些，不過，就統計結果而言，兩者之間有顯著差異。

但另方面，在小鼠精子進行細胞質內精子注射（ICSI）之後，藉由使用 γ-H2Ax 染色來比較玻璃安瓿和塑膠片的雄原核（male pronucleus）中 DNA 損壞程度，結果卻發現，相較於保存在塑膠片的小鼠精子，保存於玻璃安瓿的小鼠精子經 γ-H2Ax 染色後，其雄原核^[註2]有較高的亮度，顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。

綜合上述，保存於塑膠片中的小鼠精子 DNA 完整度，與保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA 完整度，是可以相比擬的。

如何製備冷凍乾燥的小鼠精子？

小鼠精子經過預先培養之後，會秤量紙作為載體，將含有精子的溶液滴定於秤量紙上。將鋁箔紙摺出一個凹槽，依序放入裁切好的塑膠片及帶有小鼠精子的秤量紙，然後將整包鋁箔包放入保麗龍盒，最後在保麗龍盒內加入液態氮。

接下來，將冷凍的精子溶液乾燥，乾燥之後的冷凍小鼠精子會呈現粉末的狀態。然後，將冷凍乾燥後的小鼠精子取出，並用兩張秤量紙包裝，最後放在塑膠片上並用膠水將其密封起來。待需要使用時，再用剪刀將塑膠片剪出一個缺口，並用鑷子取出小鼠精子，最後再用水回溶精子。

凍乾的小鼠精子，可在室溫下藉由明信片運輸

雖然相較於保存在 -30℃ 的環境，冷凍乾燥（freeze-dried，FD）的小鼠精子保存在室溫環境下三天，其後代存活率較差，但仍可繁衍出後代。利用塑膠片保存的小鼠精子可以夾帶在明信片中，並放置於 -30℃ 的環境。待到要寄信的那天，可直接利用普通郵件的方式寄送，不需額外的保護措施。而收到郵件後，只需再將小鼠精子放回 -30℃ 的環境即可。

研究團隊曾使用此方式，將冷凍乾燥後的小鼠精子從東京大學寄至山梨大學，兩校之間的距離約為 200 km，並且郵件會在 2 天之內寄達。而這些冷凍乾燥的小鼠精子也能順利進行胚胎發育。因此，冷凍乾燥的小鼠精子，是可在沒有其他保護措施之下，在室溫下藉由明信片寄送。

使用信件運輸小鼠精子的優缺點

Daiyu Ito 說：「遺傳資源對於人類未來而言，是個重要資產。即使有許多遺傳特徵可能已不適用於生存，但這些遺傳資源可能有利於某些物種在環境變遷或未知疾病擴散時存活下來。」哺乳類動精子保存，有利於不孕、維持品系中修飾過的基因序列。這個使用塑膠片夾帶小鼠精子的方式，可以方便保存數千種的小鼠品系（strain），除了有利於實驗室及研究機構間的合作往來，更可以促進生殖技術及科技的發展。

然而，使用如此方便及簡易的運送方式，可能會造成許多不合法的運輸過程發生，因此需有更完善的法規制度來審查及保護動物精子的運輸。

註解

1. 受精卵會在 24 小時分裂成 2 細胞，約 48 小時分裂成 4 細胞，約 72 小時分裂成 6~8 細胞，並在約 96 小時分裂成桑葚胚（Morula）；之後才會形成囊胚（Blastocyst）。
2. 雄原核，指的是在受精之後，精核進入卵子內，但尚未於雌原核（female pronucleus）融合。

1. Ito, D., Wakayama, S., Emura, R., Ooga, M., & Wakayama, T. (2021). Mailing viable mouse freeze-dried spermatozoa on postcards. iScience, 102815.
2. Benson, J. D., Woods, E. J., Walters, E. M., & Critser, J. K. (2012). The cryobiology of spermatozoa. Theriogenology, 78(8), 1682-1699.
3. Sztein, J. M., Takeo, T., & Nakagata, N. (2018). History of cryobiology, with special emphasis in evolution of mouse sperm cryopreservation. Cryobiology, 82, 57-63.
4. Wakayama, S., Kamada, Y., Yamanaka, K., Kohda, T., Suzuki, H., Shimazu, T., … & Wakayama, T. (2017). Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(23), 5988-5993.
5. Choi, Y. H., Varner, D. D., Love, C. C., Hartman, D. L., & Hinrichs, K. (2011). Production of live foals via intracytoplasmic injection of lyophilized sperm and sperm extract in the horse. Reproduction, 142(4), 529.