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開利誕辰|科學史上的今天:11/26

張瑞棋_96
・2015/11/26 ・846字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

現在冷氣機的品牌千百種,不過幾十年前講到冷氣就只會想到「開利冷氣」,因為當時開利就是冷氣機的代名詞,就像全錄(Xerox)就是影印機的代名詞一樣。當然,如同全錄發明影印機,空調設備的發明人就是美國工程師開利。

威利斯·開利。圖片來源:wikimedia

開利於1901年自康乃爾大學取的機械碩士學位後,即到生產風箱、暖氣機的公司當工程師。第二年,他被派去匹茲堡解決一個印刷廠客戶的難題。原來匹茲堡多霧,印刷用的紙張容易受潮而無法保持平整,連帶影響到印刷品質。他們公司的暖氣設備無法解決潮濕的問題,但開利想到:只要將暖氣機管線內的熱蒸氣改成冷水,空氣的濕度偏高時,所含的水蒸氣就會因為結露現象,凝結在溫度較低的管線表面,如此一來便能降低濕度,同時維持室內在一定的溫度。

開利很快就改裝印刷廠的暖氣設備,馬上解決了他們的困擾,等於在1902年同時發明並安裝了全世界第一台空調系統。他也在當年送出空調設備的設計圖,而於1906年獲得專利。這一年他又發現氣溫與露點的溫度差,與相對濕度兩者之間的關係,並應用此公式發明了自動控制溫濕度的功能。1911年美國機械工程師學會的大會上,開利公開他的溫溼度公式給大家免費使用。

1914年底第一次世界大戰爆發,因公司決定縮減部門,開利與六位同事離職成立「開利工程公司」,但到了1920年代終撐不過經濟大蕭條而被併購。

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空調系統一開始都只是為了解決生產問題而裝設在工廠,直到1924年才首度裝設在底特律的一家百貨公司,開始服務人類自己。至於第一台家用空調,也是開利在1928年率先發明的。今天冷氣機或空調設備已經成了家家戶戶必備的家電產品,它不只是提供人們舒適的感覺而已,對於經濟、科技、醫療……等等各種不同領域的發展也都扮演重要的角色,這都要歸功於「空調之父」開利。

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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 971 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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真的需要開冷氣?空調的發明與代價——《跳出溫度舒適圈》
商周出版_96
・2022/10/30 ・5465字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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  • 作者 / 林子平
美術館內的藝術品。圖/跳出溫度舒適圈

我隨著一排長長的隊伍,進入一個幾乎密閉,只能容納不到十五人的小房間。裡面燈光昏暗,人們站在一張筆記本大小的圖紙前,屏氣凝神地端詳。

在英國國家美術館(National Gallery)內,一個偌大展廳中隔出的狹小空間裡,展示著達文西早期珍貴的鉛筆手稿。為了避免破壞手稿,得要用一種特殊的光線照射,泛黃的紙張上才能浮現依稀模糊的字跡及線條。

「欸,光線這麼弱我看不清楚啦!」一旁的小兒子輕聲地跟我說,我費盡唇舌向他說明,這種年代久遠的作品,很容易受到紫外線及溫溼度的影響而毀損,需要細心呵護。「你看牆上那個溫溼度計,」我向他說,「從我們進來到現在,這個數值始終維持不變喔,這是一個精確控制的恆溫恆溼空間,來保護珍貴的藝術品。」

「藝術品?」兒子滿臉狐疑地問:「臥室的冷氣機不就是控制在固定的溫度嗎?上次我搭隔壁三叔公的車子,前後左右的四個座位還可以設定不同的溫度呢!」

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他咧著嘴笑著說,「那我們也算是珍貴的藝術品吧!」

空調的發明不是為了人,會涼也只是副作用

空調一開始並不是為了人而設計的,和美術館的那個小房間一樣,當時也是為了紙張,而設計出全球第一個空調系統。

1902 年,一間位於紐約的印刷工廠,正經歷著前所未有的炎熱潮溼夏季。雜誌出版在即,卻因溼度太高使得紙張扭曲變形,油墨無法精準地印在紙上,公司便聘請了一位工程師來解決這個問題。

這位年輕工程師開利(Willis Carrier)發明出一個系統,讓冷卻的氨水在封閉的金屬盤管上持續循環,當空氣被風扇抽入而接觸到低溫盤管時,空氣中的水分就會凝結在極低溫的盤管上,並排出室外,使空氣的溼度降低。

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就像是我們把一杯手搖冰飲放在桌面,過了一會兒,杯子外緣就會布滿凝結的水滴一樣,開利就是應用這個簡單的降溫除溼原理,成功地解決工廠內溼度過高的問題。

水氣凝結使空氣中的溼度降低。圖/envato.elements

然而,他發明的這個空調系統有個副作用:會使空氣變冷。就像是一個很小的房間內如果放了上千杯冰飲,而且持續用電風扇吹,室內氣溫當然會略微下降。

從這一刻起,他滿腦子思考著如何利用這個副作用幫他創造商機。他把服務的對象從「紙」變成「人」,開始四處推銷他的產品。商場、劇院、車廂、辦公室開始設置空調,成為工作及娛樂場所中的奢侈品。他更刻意把空調產品跟創造更好的工作效率、更高品質的服務、可以帶來更高收益等價值連結在一起,讓業主願意花錢來採購他設計的空調。

但開利並不以此自滿。在 1929 年的一次演講中,他這麼說:「夏季的空調和冷卻可能會成為一種必需品,而不是奢侈品。我們必須終結這個無法降溫,讓人們不舒適的黑暗時代。」聽來像是蝙蝠俠在《蝙蝠俠:黑暗騎士》中對邪惡小丑的宣戰。

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後來,在 1940 年代的報紙上,出現了史上第一則窗型空調廣告,標語是這麼下的:「你為什麼要再忍受?這台冷氣機以前所未見的低價讓你涼爽舒適!」這宣告了空調即將走入一般的住宅─由生活的奢侈品,成為了必需品。

吹冷氣要付出什麼代價?

經濟學家認為洗衣機的發明,可以讓婦女從繁重的家務勞動中解脫,間接提高婦女在家庭和社會的地位,也增加了在外工作的機會。那空調呢?新加坡前總理李光耀在接受記者詢問新加坡成功的因素,是這麼回答的:「空調對我們新加坡來說是最重要的發明,也許是歷史上指標性的發明之一。它使熱帶地區的發展成為可能,改變了文明的本質。」[註 1]

空調和洗衣機一樣,成了居家生活必需品。不過一個家庭大概只需要一台洗衣機,但空調則可能隨著房間面積及數量的增加,設置的數量愈來愈多。

空調能帶給人們涼爽與舒適,這有什麼問題呢?

第一個問題是耗電。家庭中每種電器都可依據它的「功率」和「使用時間」來推估它的耗電量。功率以瓦(W)為單位,數值愈大表示這項電器愈耗電。使用時間則以小時(h)為單位,用愈久則總耗電量就愈多[註 2]

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一般家電使用的特性是,功率小的使用時間長,功率大的使用時間短。例如較省電的電風扇(23 瓦),日光燈管(28 瓦)的使用時間就很長。而只要是涉及溫度改變的電器都會比較耗電,例如吹風機(1,000 瓦)或電鍋(700 瓦),不過,因為使用時間不長,對於住家的總耗電量影響其實不大。

空調是非常特殊的一項電器:不但功率高,使用時間又長。以一般家庭 4 坪大的主臥房來推估,冷氣機的功率約是 500 瓦,如果你睡眠 8 小時都開啟,再考量冷氣並不是所有時段都是全力運轉,就以 6 小時計算好了,耗電量就是 3 度,與吹電風扇 8 小時的用電量(0.5 度)相比,耗電量就差了 6 倍。

第二個問題是排熱。能量不滅定律告訴我們,能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只會從一種形式轉化為另一種形式。空調這部機械,也不過就是把室內的能量搬運到戶外而已。室內有多涼,戶外就會有多熱。

如果台北市全部的住宅同時開啟空調,就相當於同時有300萬支的吹風機往外排熱[註 3],如此一來,都市能不熱嗎?

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博物館的藝術品都需要調控溫度來保存,人們同樣也追求活在舒適的溫度裡。然而冷氣最初卻不是為了人類而發明......
現代家家戶戶都裝設冷氣。圖/envato.elements

更嚴重的是,這是一種惡性循環。隨著戶外氣溫上升,人們使用空調的時間愈長,室內冷卻的需求愈大,空調的排熱量就愈多,導致戶外氣溫又再度上升。這個循環也導致用電量增加、戶外舒適性惡化、都市熱島效應等問題,形成一連串的連鎖效應。

裝設冷氣前先評估一下效益

開利發明空調的那年,也是愛因斯坦發表狹義相對論的年代。

炎炎夏日中,對大部分的人而言,空調帶來的價值應該比 E=mc2 來得重要許多。空調是一個劃時代的偉大發明,讓我們能在高溫的氣候環境下享受舒適的室內氣溫,但你有時也會擔心用電、排熱對環境的衝擊,以及長時間待在冷氣房內對於健康的影響。

讓我們先仔細回想一下空調的發展歷程,一開始是為了重要物品及機具的乾燥及冷卻,而後轉變成公共空間的價值創造,最後則走入住宅成為民生必需品。

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因此,在我們裝設冷氣前,得先思考目的是什麼,以及評估可能帶來的效益及問題。

在一些公共空間,像車站開放的等候大廳、挑高空間,辦公室的等候區、茶水間、走廊,或是住宅大樓一樓的門廳、住家內開放式的廚房餐廳等。只要不是人會長時間待著的地方,或是具開放性、有流動的人潮,都應謹慎思考空調裝置的必要性。

這類的空間因為具有開放性,冷氣容易溢散,也很難確實規範使用者開關門窗的動作,開冷氣的降溫效果不彰。如果這些空間建築外殼又設計得不好,例如玻璃面太大、開窗方向不對、缺乏良好的遮陽的話,那更是能源殺手。

大廳等開放空間應謹慎思考裝設冷氣的必要性。圖/envato.elements

這類空間一旦裝了空調,人們就會想要開啟使用,導致過度耗電。我們不妨先預留安裝設備的可能性,等到確實有需求的時候,可以採用局部空調的方式,把冷氣吹到人會停留比較久的地方,例如車站的剪票口及候車室。這就像是在看書時只需要使用小檯燈做局部照明,不需要開啟天花板上大量的背景照明一樣。

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開啟空調前你該確認的三件事

人不是藝術品,不需要精確控制的恆溫恆溼空間。人體原本就有自動調適氣候的能力,我們可以試試用前面幾個小節所談的方式取代長時使用冷氣,也許有助於解決這些矛盾焦慮。在你按下冷氣搖控器上的啟動按鈕之前,我要提醒你該確認三件事。

第一,你是「想要」,還是「需要」吹冷氣呢?

當室內的高溫已經超出人體所能負荷的狀態,你當然需要開啟冷氣。如果在盛夏時,室內窗戶已經打開,卻還是一直維持在 30℃ 以上,你又必須停留一段時間,或是你已經大量流汗覺得不舒適,那就有開冷氣的必要。

不過,有時室內不是很高溫,但會讓你「想要」吹冷氣,只因為你期待室內比戶外再涼一點[註 4]。這個狀況常出現在春天及秋天的時候,為了要使室內氣溫低於戶外氣溫,你得設定很低的氣溫才能滿足期待,造成不必要的空調能源浪費。如果是這種狀況,你應該先開個風扇坐一會兒,也許就會逐漸適應室內的氣溫。

第二,目前室內和戶外的氣溫如何呢?

人對熱舒適的感受並不可靠。因為它夾雜著生理(例如剛運動完或靜坐)以及心理(例如經驗及期待)的影響,光是憑冷熱感覺決定要不要開冷氣,也許不太可靠。

相信溫度計吧,最好是擺在靠近你的位置,讓它真實地呈現目前的氣溫[註 5]。如果都還在 29、30℃ 以內,其實吹個風扇都還能讓你在舒適範圍,未必要開冷氣。

戶外的氣溫也很重要,打開窗戶感受一下吧。如果你感覺戶外氣溫比較低,也還算舒適,代表你不需要開冷氣,應該開窗,讓涼爽的氣流進入室內,帶走室內空氣及牆面、家具表面上的一些熱量。如果你發現戶外氣溫已高於室內,而且室內氣溫也高出舒適範圍,那就是關窗開冷氣的時機了。

適時打開窗戶感受一下外面的溫度。圖/envato.elements

第三,開冷氣時,設定適合溫度、搭配風扇。

參考能源局及台電的一些宣導對策,將空調溫度設定在 27℃ 左右,搭配電風扇使用,也許還能再調高1℃,仍可以大致滿足人體對熱舒適的需求。

在住家要開冷氣時,為了確保空氣品質,記得略開一個小縫,5 到 10 公分就好。這樣就有可能達到 3-5 倍左右的換氣量,室內氣溫也不會明顯增加,是能兼顧節能及健康的策略[註 6]

開冷氣前,記得確認這三件事,想清楚,再按下冷氣搖控器上的開關按鍵。

另外,在公共空間覺得太冷時,你可以勇敢地向管理者表達:「現在氣溫會不會太低啊,有點冷呢。」既表達了使用者對於熱舒適性的看法,也提醒管理者多加留意室內氣溫是否適當。

即使開冷氣,也要確保舒適健康,拒絕低溫勒索。

消暑涼方 12:開冷氣前,先開窗並適應室溫。開啟後,要設定適中溫度並配合風扇,窗戶略開一個小縫,能增加換氣確保空氣品質。

註釋

  • 註 1: 在一次受訪中李光耀表示,沒有空調時人們只能在涼爽的清晨或黃昏時分工作,他提到,他成為總理後做的第一件事,就是在公務員工作的大樓裡安裝空調,這是提高公共效率的關鍵。話雖如此,依照我自己的經驗,新加坡在許多車站、門廳、學校、餐廳仍是以自然通風為主,辦公室的空調溫度也不會設定得很低—如果和香港相比。香港一位建築系教授告訴我,香港全年最冷的地方就是夏天的辦公室內!
  • 註 2: 以功率 1,000 瓦(1kW,常稱「瓩」,這字得念「千瓦」,注音輸入法打不出來,還好我念大一的時候學會用倉頡)的吹風機為例,它使用 1 小時的電量是 1 瓩時(kWh),也就是電費單上會看到的 1 度電,依台灣現行的電價,大概是 2.5-3.5 元左右。當然你吹風機不會使用這麼久,如果使用 6 分鐘(即 0.1 小時),大概就用了 0.1 度電。
  • 註 3: 依洪國安博士空調實務經驗,並參閱知名品牌的空調耗電資料,以前面提到的那間主臥室配置的空調瓦數當基準的話,4 坪大的主臥房,大概配置 500 瓦空調,每坪因空調而排出的熱量大概是 125 瓦。依戶政資訊統計,台北市 105 萬戶,每戶 44.9 坪計算,假設有一半的空間設置空調,則全台北住宅的空調容量為 2,946,563 kW,如果同時開啟,相當於 2,946,563 支的吹風機往外吹。
  • 註 4: 這是一場在你心中悄然進行,關於「經驗」及「期待」熱舒適的內心戲。你也許有這樣的經驗,一進家門,你覺得室內氣溫比戶外高,就馬上開了冷氣。結果待了一會兒發現不會涼,才發現冷氣的搖控器是預設 27℃,而室內原本的氣溫比 27℃ 還低,你得再把設定溫度調低一點,冷風才會吹出來。這是因為身處台灣長期高溫的經驗,你期待有涼爽的感受,也預期室內應該要比戶外低溫。當這個期待落空,你就會想再降低氣溫—即使當時還算舒適。
  • 註 5: 冷氣機上的溫度,通常顯示的是空調回風的氣溫;搖控器上的溫度,顯示的是你想設定的室內氣溫,也就是壓縮機停止的溫度,這兩者都不是真正的室內氣溫。
  • 註 6: 依成功大學建築學系潘振宇老師的實測經驗,當室內空調溫度設定為 27℃,在夏季,如果窗戶密閉,只有門縫的間隙風時,換氣次數大概只有 0.1 到 0.5 次;如果窗戶開一個 5 到 10 公分寬的小縫,則入風口面積約有 75 公分乘以 10 公分左右,出風靠門下縫 120 公分乘以 1.5 公分,經估算換氣量可達到 4 倍多。此時室內氣溫只略微上升約 0.4-0.7℃,在確保室內換氣情況下,也不致於影響室內舒適及用電。

——本文摘自《跳出溫度舒適圈》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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