基因研究的怪才，克雷格·凡特生日｜科學史上的今天：10/14

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。

2000 年的今天，美國總統柯林頓與英國首相布萊爾經由衛星連線共同向世人宣布：人類基因組計畫已完成第一份草圖。由超過六個國家（台灣也沒缺席，負責第四號染色體）、一千多名研究員的共同努力之下，完成了解開人類基因組的初步草圖。

在官方的大肆宣揚下，人們以為科學家們攜手合作達成了重大里程碑。其實當時完成定序的基因只有 85%，只是白宮早就敲定了這個日期召開記者會，不想再延後──或許是為了避免夜長夢多，讓這科學研究背後的醜陋競爭早日畫上句點。

競爭來自於克雷格·凡特（J. Craig Venter）。1990 年，由美國能源部和國家衛生研究院主導的國際人類基因組計畫正式啟動，凡特正是一開始就參與此計畫的其中一員。但他卻在金主的奧援下自立門戶，於 1998 年成立的賽雷拉基因公司（Celera Genomics），大手筆的採購三百台最新的自動化定序儀，打算以兩年的時間完成國際團隊原訂十五年才能完成的計畫。

凡特是個相當具爭議性的人物，他之前就曾將基因申請專利，拿來做商業用途，如今還是宣稱賽雷拉會將成果申請專利保護，並將優先獲知權賣給藥廠或其它公司。另一方面，國際團隊卻是本著科學精神將最新發現公諸於世，賽雷拉還能從中借力使力，擴大領先幅度。

國際團隊雖然鄙夷凡特的作法，卻在輸不得的壓力下，不得不也採用凡特的研究方法。於是雙方唇槍舌劍、互相指責，直到美國政府出面協調，雙方陣營才同意彼此合作，共享榮耀。

完整的人類基因圖譜要等到 2003 年 4 月 14 日才宣告完成。至於專利權的問題，直到 2013 年 6 月 13 日，才終於由美國最高法院的判決確立：人類基因不能取得專利權。

即便如此，我們可以預期此一重大的研究成果仍將帶來各種衝擊與爭議；當時柯林頓在記者會說：「今日劃時代的成就，只是一個起點，將來還有很多更艱辛的工作，等待要完成。」是的，艱辛的工作不只是判讀、診斷、醫療等技術方面，也將涵蓋道德面與法律面。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

在最小的生命研究上一直有兩種策略，一種是利用簡單的細胞不停地把不必要的基因剔除，直到找到最小可以支持自我複製生長的基因组，另一種策略是全部的基因組都由人工來合成，設計出可以自己複製生長的細胞，兩種策略都各有優缺點。

剔除的方式要面對的是牽一髮動全身的基因組；不同的剔除路徑可能中間有很多不能維持生命的中間基因組，而在全人工合成上，首先要面對的就是怎麼有效正確的合成大分子的DNA，接著是怎麼把合成出來的基因組放入當作容器的細胞並且激活。這演講就是介紹以合成的路徑，研究人員面對了多少技術困難，最後順利合成百萬鹽基對的染色體，然後順利放入細胞讓這些基因組真的開始工作。

裡面幾個關鍵的步驟是：大量正確合成DNA、分開的合成DNA怎麼被組裝成單一基因組、同類細胞間的基因組要怎麼替換、異類細胞間的基因組要怎麼替換、還有就是面對處理甲基化跟限制酶對外來DNA的破壞，這些工作花了參與的科學家15年的時間，不過其依賴的技術基礎是整個分子生物的技術。這樣的技術有危險性也有很多可能的應用方式，像是在生物能源或是細胞疫苗工廠上，希望這樣的技術會引導出很多能幫助人的科學進展。

本文原發表於科學影像Scimage 演講[2010-08-16]