第一條海底電纜｜科學史上的今天：11/13

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 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

每個人都有自己的特長，有些人擅長理工科，有些人則有著藝術天份。但擅長一件事並不僅僅取決於天賦，還可能與個性、興趣或生活經歷有關。今天我們要介紹的主角就是一個很好的例子。他不僅是電報的發明家，消除了空間的隔閡，讓遠方的人們能瞬間被拉近，從這個角度來看，他是一位科學家、工程師。但其實他還有另一個身分，是一位偉大的畫家。沒錯，他就是山謬．摩斯（Samuel Morse）。

摩斯發明了電報，徹底改變了通信的速度，將全世界緊緊地拉在一起。不只如此，就像現在流行短影音，大家就會想辦法把內容擠在很短的時間內說出來。電報發明後，為了要讓訊息能有效被傳遞出去，人們的溝通方式也因此轉變。史學家 Garry Will 就認為電報因為不能傳太多字，這種強制性的簡潔，影響了林肯的演說風格，他著名的《蓋茲堡演說》簡潔有力，就是一個最好的例子。

一個偉大的發明，連副作用都這麼強大，改變了人們的溝通習慣。摩斯的成就不僅是在科技領域，更是在影響人們的文化和溝通方式上留下了深遠的影響。

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• 林祖慰／中央氣象局地震測報中心。

海嘯，是一種具有強大破壞力的海浪。當地震發生於海底，因震波動力而引起海水劇烈起伏，形成強大波浪向前推進，進而將淹沒沿海地帶。因著海底及海岸地形的不同，所引發的海嘯也有所不同，所以，檢視地形、地理位置與海底觀測，便成防範海嘯一重要課題。

臺灣地處菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊碰撞擠壓交界區域，地震活動頻繁且常造成社會大眾生命財產的威脅，其中芮氏規模 6 以上的中大規模地震，有將近 70％分布於東部海域（下圖）。

東部海域的地震不僅威脅臺灣的安全，過去也曾發生數起宜蘭、花蓮雖未致災，卻在臺北盆地發生傷亡災情的地震事件，例如 1986 年 11 月 15 日芮氏規模 6.8 的地震，造成當時臺北縣中和市華陽市場坍塌、2002 年 3 月 31 日芮氏規模 6.8 的地震，造成當時正在興建中的台北101（TAIPEI 101）大樓頂樓大型塔式起重機吊臂斷裂砸落等案例。

臺灣會發生海嘯嗎？

此外，地震伴隨著海嘯的發生，2004 年南亞大海嘯與 2011 年東日本大地震海嘯均造成嚴重傷亡與財產損失。而臺灣所在的環太平洋「火環帶（Ring of fire）」，是全球 90％ 地震的發生地，過去也有文獻記載，臺灣及附近區域疑似因大規模地震或海底山崩引發海嘯衝擊，例如 1867 年臺灣北部基隆地區海嘯災害、1771 年鄰近的日本石垣島發生 85 公尺高海嘯災害，都顯示臺灣近海地區有災害性海嘯發生的可能性。

因此，科技部也曾針對臺灣鄰近地區的海溝型大地震引發海嘯侵襲的可能情境進行模擬分析，顯示臺灣西南方馬尼拉海溝（Manila Trench）、太平洋中的亞普海溝與花蓮外海（琉球海溝）是引發高海嘯災害潛勢的可能地震源。因此，如何防範東部海域大規模地震與可能的海嘯威脅，成為臺灣所需面臨的重要課題。

海上沒有地震測站

地震海嘯防災工作的最重要基石是地震速報系統，而速報作業的主要關鍵包括測站分布、即時傳輸與維運管理。在 2011 年之前，交通部中央氣象局地震觀測網的測站均設置在本島與離島陸地範圍，對於發生於周圍海域的地震，偵測能力與計算精度都受到限制。

如果能在臺灣東部海域設置地震海嘯海纜觀測系統，就能將海域地震納入臺灣地震網觀測範圍之內，既彌補陸上地震測站的不足，也能有效改善海域和近岸的地震定位問題。如此一來，也能強化氣象局地震觀測網強震即時警報系統的正確性和可信度，提供更準確的即時防救災資訊。

以同樣處於環太平洋地震帶的日本為例，日本的東部與南部海域也面臨地震海嘯的威脅，為此日本政府耗費鉅資建造「地球號」鑽井船，於日本南海海槽（Naikai Trough）作深部地殼鑽探，研究板塊聚合帶巨大地震的孕震機制。

同時，日本於周圍海域也建立 10 餘條海纜系統，裝置數十座地震與海嘯觀測站，嚴密監測海域的地震活動。2011 年 3 月 11 日芮氏規模 9.1 東日本大地震發生後，更投入超過日圓 230 億日圓，於日本東部海域建置全長超過 5600 公里的海纜觀測系統，並設置 150 座以上的地震海嘯觀測站。

海底的地震警報烽火台

在政府預算經費的支持下，氣象局於 2007 年起開始進行東部海纜觀測系統的設置，將地震海嘯監測的衛哨由陸域向外拓展到東部海域。這個海纜觀測系統就像是古代示警的烽火，在偵測到地震、海嘯時能迅速將資訊傳進地震偵測網。每個即時觀測站就是一座烽火台，由一個能抵抗海水壓力的長條型圓柱桶構成，內部封裝著各式偵測儀器，包含加速度型地震儀、速度型地震儀、傾斜儀、海嘯壓力計與水下聽音計等儀器。

這些儀器就像烽火台上拿著火把的衛兵，一看情況不對就點燃烽火台，將警告訊息傳遞出去。而一個個圓柱桶會被橫放於海床上，並透過光纖海底電纜纜線進行電力供應與觀測資料傳輸。由於海纜系統資料傳輸速度近乎即時，結合氣象局既有陸上地震監測網測站進行海陸聯合觀測，面對臺灣東部海域中大型災害地震與海嘯的威脅，預期將可縮短強震即時警報系統的偵測時間，也能提高預警的效益。

氣象局於 2011 年 11 月完成第 1 期海纜系統，由宜蘭頭城陸上站往東南外海舖設 45 公里海纜，尾端設置 1 座即時觀測站。又在 2017 年 10 月完成第 2 期海纜系統擴建，將海纜長度延長 70 公里，總長 115 公里，並增設 2 座即時觀測站，將監測範圍擴展至和平海盆與南澳海盆鄰近區域。

氣象局目前正在辦理第 3 期海纜系統的建置作業，規劃由第 2 期海纜系統尾端，向東南方穿過耶雅瑪海脊至加瓜海脊西側，再往西穿過呂宋島弧，轉向南邊繞經恆春半島外海至屏東枋山登陸，第 3 期計畫預計增建海纜 580 公里及新增 6 座即時觀測站，規劃於 2020 年底完成。

海纜系統怎麼維護？

過去所架設的海底電纜，最大的困境是遭外力破壞損毀。舉例來說，在海底坡度較陡之處，可能會因地震或颱風等因素而發生海底山崩。2006 年 12 月 26 日芮氏規模 6.7 的恆春地震，就曾造成臺灣南方多條國際電信電纜斷裂，而嚴重影響亞洲網路傳輸。除此之外，因漁業活動致電纜損壞而中斷網路傳輸的例子，也時有所聞。

針對上述情況，海底電纜本身可考量鋪設沿線的地質狀況，選擇不同類型鎧甲防護纜線，以降低自然因素或人為外力造成斷纜的風險。自然環境條件可藉由海底地形與地質調查分析、鑽井岩心採樣與洋流觀測資料，協助判斷最適宜的鋪設路線。

海纜觀測系統主要有嵌入式（in-line）與節點式（Node）兩種架構系統，嵌入式是將纜線與內含觀測儀器的即時觀測站採一體成型方式製作，其優點是體型相對較小且可掩埋，較不易受外力損毀，缺點是個別觀測站儀器不能擴充；節點式系統則透過纜線連接節點，再由節點連接觀測儀器設備，其優點是可以自由擴充與更新儀器設備，但缺點為即時觀測站體稍大且因設置於海床上而較易受外力損毀。

因此，在第 2 期海纜系統擴建時，便選用嵌入式的即時觀測站型態，同時也盡可能將站體設置於較深水域，分別為945、1114 與 2732 公尺，且系統沿線水深淺於 600 公尺的海纜需掩埋 1.5 公尺，以降低天然與人為破壞。

除了前述提到的即時觀測站及電纜纜線，海纜觀測系統中還有一個位於陸地的陸上監控站。其所扮演的角色是海纜傳輸訊號「登陸」的機電與通訊控制端。在海纜觀測系統出現故障時，首先會透過陸上監控站來嘗試排除故障，當狀況無法解除，就只有海上作業一途。如果要維修水下的線路與站體，就需要利用特殊船隻與儀器協助，例如透過無人水下載具（remotely operated vehicle, ROV）進行攝影巡視，查看海纜觀測系統的情況，排除可能威脅，降低海纜故障風險。

而海纜與漁業活動如何和平共存，還需要更多的溝通與互信體諒。第 1、2 期海纜系統建置完成後，氣象局均彙整海纜路由點位資訊，請海軍大氣海洋局協助進行長期航船布告。而第 3 期海纜系統擴建，也在作業開始前拜會相關漁會進行說明，並請漁會協助向漁民宣導，以降低施工風險。

作業期間，於每航次亦將事先備妥舖設作業區域圖、作業期程、作業船舶及人員名冊等資訊，請內政部、行政院農業委員會漁業署和相關漁會等機關單位協助宣導與溝通；另備妥舖設作業區域圖請海軍大氣海洋局協助發布航船布告，提醒航行作業船隻注意避讓。以上作為，皆是為了盡可能減少對漁業活動影響的措施。

氣象局海纜觀測系統已納入實際地震海嘯監測作業，2017 年 10 月 18 日至 2018 年 10 月 17 日這1年間，就在宜花海域監測 73 個芮氏規模 3 以上的地震事件。如果把海纜系統的監測結果納入強震即時警報自動定位的案例進行分析，發現這 3 座海底即時觀測站平均可提升地震定位準確度約 8.59％，相當於水平與深度綜合定位誤差由 12.45 降低至 11.38 公里。另外，也能增加預警時效約 7.9％，相當於預警報告產製時間由 20.52 秒降低至 18.90 秒。由於氣象局在發布強震即時警報或海嘯警報時，皆須依據震央位置與地震規模推估各地的S波到時與預估震度大小，因此提升震源參數的準確性後，可以增加警報的可靠性。

地震海嘯海纜觀測系統持續建置中

臺灣四周環海，不僅地震與海嘯的防災作業非常重要，其他海域資源有關民生經濟的發展，亦需仰賴前瞻性的探勘研究與水下技術，因此需要海洋領域人才的培育與經費的投入。以海纜觀測系統建置為例，相關專業知識與技術門檻實屬困難，目前臺灣水下技術尚在起步發展階段，專業人才仍屬不足，短期內須仰賴國外專業廠商協助，所幸已有國家級海洋研究機構與部分民間業者投入人力物資開發研究，期待將來能累積更多實務經驗，厚植海洋科技發展。而氣象局仍將持續推動與建置地震海嘯海纜觀測系統，結合強震即時警報系統，發揮地震測報與災防預警效能。

本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期：正視震知識》，科學月刊社出版。

1839年，惠斯登（Charles Wheatstone）和庫克（William F. Cooke）在英國建造了世界上第一條商用電報線路；約莫同時，美國的摩斯（Samuel Morse）也和維爾（Alfred Vail）發表其電報系統。自此以後，歐洲與美國各地紛紛沿著現成的鐵路，在城市與城市間架起線路。陸上的電報網迅速成形，但海洋卻是一大阻礙。

約過了十年，「盎格魯－法國電報公司」（Anglo-French Telegraph Company）總算在1850年8月拉了一條電線橫越英吉利海峽。不過這不算是第一條海底電纜，因為他們想得太天真了，竟然只用一般的漆包線，完全沒有外殼保護，因此沒幾天就損壞了。1851年11月13日，世界第一條海底電纜才終於鋪設完成，穿越英吉利海峽將英國與法國連接起來。兩年後更多海纜從英國拉往愛爾蘭、比利時與荷蘭。

橫越大西洋的洲際海底電纜則困難許多。1858年的第一條海纜也是不到一個月就毀損，直到1866年才克服技術問題，成功鋪設連接倫敦與紐約的電纜。至於台灣的第一條海底電纜，是劉銘傳以「孤懸海外，往來文報，屢阻風濤」為由，奏請清廷鋪設獲准，而於1887年鋪設了淡水至福州的海底電纜，這也成了中國第一條海底電纜。

電報內容力求簡短，因此不過是兩條銅線的電纜已足以應付，但要拿來講電話卻不適合，因為一人佔線，其他人就不能用了。第一條電話專用的洲際海底電纜直到1956年才完工，連接蘇格蘭與加拿大，可同時容納36通電話。自1980年代實用的光纖發明以後，海底光纜逐漸取代海底電纜，提供更大的國際頻寬，也才有如今網際網路的普及。

海底電纜從最初的發送電報之用，只能傳送文字；到讓地球兩端的人可以講國際電話；再進化到現在，各種型態的資訊內容經由海底光纜串起世界各個角落，每個階段都發揮了大幅縮短世界距離的功能。如今海底光纜已經是全球網路不可或缺的重要骨幹，默默的隱藏在大海底下，繼續盡責的撐起這個網路時代。

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。