如何讓空中航班不打結？用數學來模擬一下吧！──《飛航管制的祕密世界》

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。

• 【科科愛看書】一直以來人們都渴望飛翔的滋味，但是，難道發明了飛機就能讓大家隨心所欲亂亂飛嗎？密如蜘蛛網的全球航線究竟是如何設計的？那麼多的飛機要怎樣才不會撞在一起？為什麼起降時要特別小心翼翼？快來一窺《飛航管制的祕密世界》，讓你知道空中飛人背後的團隊有多厲害！

故事要從日本最忙的機場說起

談到飛航管制到底是在研究什麼，讓我將舞台移至東京的天空來說明。

東京國際機場（通稱羽田機場）是日本最繁忙的機場，尖峰時刻每兩分鐘就有一班航機起降。只要站在羽田機場的瞭望台，就能看見一架架排列整齊的飛機，不間斷地起飛降落。

比較世界各國機場截至 2014 年 9 月的單年度旅客量，排名第一的是美國亞特蘭大國際機場，其次是中國北京首都國際機場，第三名是英國倫敦希斯洛機場，接續在後的正是榮登全球第四的羽田機場（資料來源：ACI Annual World Airport Traffic Report）。羽田機場 2014 年的起降架次共計 44 萬 7 千次，總旅客量約 7 千 2 百萬人。一窺反映出東京上空航空交通狀況的雷達螢幕，就可發現螢幕被密密麻麻的飛機覆蓋。

2014 年 12 月，羽田機場的 C 跑道向南側延長為 3 千 360 公尺（原為 3 千公尺）。日本政府為了因應 2020 年的東京奧運，目標新增 3 萬 6 千至 3 萬 9 千次起降架次，且為了滿足未來需求，甚而考慮是否增設第 5 條跑道。

壓力最大的職業：別讓大家撞機啊！

天空中就算有許多飛機一同飛行，卻不會發生碰撞等意外事故，都歸功於我們稱為「航空管制員」（正式名稱為飛航管制員）的人致力於管理空中交通。航空管制員負責讓航機安全順利飛行，緊盯對應空中交通狀況的雷達螢幕，從地面向機師下達準確的指令。

一般汽車駕駛可觀察窗外，透過鏡子與其他車輛保持安全距離，掌握周邊交通狀況。他們打開導航就能指引路徑，也可使用智慧型手機程式來了解交通事故和壅塞路段的資訊。

另一方面，操作航空器的機師現實中處於不太自由的狀態。他們無法透過駕駛艙的窗戶，正確掌握附近的飛機正在飛往哪裡或要飛向何地。正因如此，才需要管制員常駐地面管制中心，在盡量不延誤抵達時間、減少油耗量或噪音的考量下，出聲指示機師調整高度和速度等。駕駛艙中的機師根據耳機裡傳來的管制員指示操作飛機。我們稱這種種作業為飛航管制，正式名稱是航空交通管制。

以日本為例，民航機的飛航管制大致分為四類：負責太平洋上空的越洋管制（oceanic control）、負責距機場較遠處天空的航路管制（en route control）、負責機場周邊上空的終端雷達管制（terminal radar control），以及設於機場負責引導在機場滑行的航機並發出進離場指示的機場管制（aerodrome control）。

羽田機場周邊的終端雷達管制設於機場之內，越洋管制則隸屬福岡航空交通管理中心管轄範圍，因此日本的管轄空域稱為「FUKUOKA」（福岡）。航路管制由札幌、東京、福岡、那霸四地的航空交通管制部負責。其中東京管制部管轄的空域最廣，平均每日需處理約 3 千 7 百架班機，航空管制員的作業責任隨之益發沉重。肩負眾多生命的航空管制員，被認為是現今世界上壓力最大的職業。

想解決龐大航班？來點科學吧！

在背後支撐空中旅行的，包括各種硬體、電腦軟體等地面基礎設施及飛機備品，居中則有航空管制員、航空公司的機師和飛航管理人員等，共同維持空中交通安全，有效率地實行管理，這些都屬於飛航管制研究課題之一的「飛航管制系統」。我在研究所主修的航空工程學是以航空器本身為研究對象，飛航管制的研究範圍則涉及所有關於航機交通的部分，研究主題更廣泛。

作用於人類社會中的軟硬體等技術的集合體，或是在技術的集合體中包含人類社會的系統都稱為「社會技術系統」（sociotechnical system），而飛航管制系統正是其中的代表。

為了讓飛航管制這樣集大成的技術，透過與人類社會的複雜相互作用來推動莫大的系統，背後需要的是結合資訊科學、機械工程、數學、物理學、航空工程學、心理學、社會學等各式專門領域而成的學門。

今後全球航空交通需求預估仍會持續增加，僅憑藉航空管制員或因循經驗法則處理，似乎已無法應對未來的航空交通量，在這種危機感之下，催生出嘗試以科學觀點切入飛航管理的研究――「飛航管制科學」。

系統化操作，讓你飛得更安全

1980 年代，以加州矽谷的 NASA 艾姆斯研究中心〈Ames Research Center）為舞台，飛航管制科學正式拉開序幕，當時蘋果麥金塔電腦逐漸普及至一般使用者。

艾姆斯研究中心的海因茲．艾茲伯格博士〈Dr. Heinz Erzberger）率先想到：「運用電腦開發出可協助飛航管制員的工具程式，或許有助於實際工作？」他找來一名志同道合的系統工程師，齊心協力投入研究，著手研發協助飛航管制員處理作業的電腦介面。

當時飛航管制還稱不上是專業學門，研究成員只有這兩人。

他們最終開發完成名為 TMA〈Traffic Management Advisor，空中交通管理諮詢）的航機到場管理系統，可將部分的飛航管制員知識性業務自動化，由系統規定到場航機的先後順序，提供何時、哪架班機應降落跑道的資訊。

美國聯邦航空總署在 1990 年代中期注意到 TMA，並於 1996 年在達拉斯／沃斯堡國際機場〈Dallas／Fort Worth InternationalAirport）實驗性地運行 TMA。實驗結果證明，採用 TMA 可讓機場的到場航機維持一定的峰值〈peak value）。

其後，為了管理到場交通流，美國全境主要機場的地面管制中心引進 TMA，至今仍活躍於第一線，已逾二十年。2010 年，TMA 更名為 TBFM〈Time-Based FlowManagement，以時間為基礎的流量管理），引進至美國各主要機場管理進離場班機的管制中心。

拜 TMA 的發明之賜，飛航管制被認為是可活用科學觀點進行研究的領域，並於艾姆斯研究中心設置專門研究部門。這門新興學門，就此逐漸融入航空產業興盛的歐美。NASA 目前約有三百名飛航管制科學研究員。

本文摘自《飛航管制的祕密世界：從地面到天空，從管制台到駕駛艙，飛航第一線直擊全紀錄》，臉譜出版。