在氣候變遷的影響下，更要聰明的與水一起生活──《科學月刊》

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 經濟部水利署 委託，泛科學企劃執行。

「30年後，我們將面對更嚴峻的缺水考驗。」水利署署長賴建信接受我們採訪時坦承地說。

近年，全臺西部地區都曾遇過「供五停二」的停水措施，，缺水問題更早已是全球問題。根據 2021 年發表在 Nature Communication 上的論文，2016 年全球有 9.33 億的城市人口面臨缺水問題，約為總人口的 12 %；依據過往趨勢推測，至 2050 年，全球將有 16.93-23.73 億的城市人口面臨缺水問題，相當於 2050 年總人口的 17%-24%。

為什麼全球缺水問題會如此嚴重呢？賴建信署長認為首要是「氣候變遷」改變了降雨強度與頻率，並舉生活中的經驗來說明氣候變遷：

「生活在臺灣地區的我們，會感覺到最近好像很久都不會下雨，然後不下雨的時候很熱，但一下雨，雨滴大到打在身上都會痛。」而近期紐約暴雨造成地鐵淹水癱瘓，也是氣候變遷造成的。

氣候變遷讓降雨更加極端

賴署長說：「可以說以後的降雨會非常集中在特定某幾天。就像剛剛講的，就是突然暴雨，然後接下來一個大乾旱。 」

無論是缺水還是淹水，氣候變遷造成的影響都不容忽視，賴署長表示，不只是降雨頻率會更低，降雨地區也會更加不平均，降雨的強度也會有所提升。

依照聯合國政府間氣候變化專門委員會最糟糕的預測（SSP5-8.5），到了這個世紀中，臺灣暴雨強度會比世紀初提升 20%，世紀末會提升 40%，即便是最優預測（SSP1-2.6），也會在世紀中提升 15.7%。

據上所述，氣候變遷讓全人類無法迴避「降雨不均造成的地區性缺水」，以及「降雨強度提升造成的地區性水災」這兩個問題。雖然個人、企業與政府都為了減緩氣候變遷有所作為，但賴署長也表示，我們該「從科學擁抱殘酷現實，對未來做最壞打算」。

簡單來說，若所有締約國都遵守聯合國氣候變遷大會（COP）的決議完成減碳工作，那氣候變遷也只是不再加劇，並不會立刻恢復到過去的型態，而只要有其中幾項沒有達成，那全世界就得面對更嚴峻的情況。

回到開頭賴署長所說的 30 年，我們還有時間做好基礎建設，降低氣候變遷對人民造成的影響。「從2016年開始，我們就思考這些問題，思考說臺灣未來面對的自然環境，我們應該如何因應、構築一個怎麼樣的未來。所以當時我們就開始思考包括區域調度、多元水源等相關計畫。」

賴署長提到的「區域調度」相關計畫，即是目前正在進行的「珍珠串計畫」。

地區性缺水解決方案—「珍珠串計畫」

「珍珠串計畫」預計把台灣西部像珍珠一樣珍貴的水源，用聯通管線串聯起來，讓珍貴的水資源可以妥為應用。

臺灣降雨時間和空間差異極大，桃園至屏東等西部地區，在 5 月至 10 月是豐水期，11 月到隔年 4 月是枯水期，然而北北基與宜蘭等東北地區，卻是完全相反，10 月至隔年 4 月有東北季風帶來的豐沛雨量，此時若能將東北地區的水調度至西部地區，將能緩解西部地區缺水。而未來面對更加極端的降雨情況，也能提供一定的支援。

珍珠串計畫的聯通管線預計將在 2028 年全數完成，而在 2021 年旱災中搶先開通的「桃園—新竹備援管線」，從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹，在旱災期間總計調度 2300 萬噸，約是 0.6 座寶山第二水庫的蓄水量，不僅讓新竹地區免於限水所苦，也讓新竹科學園區的科技業能維持生產。

不僅管線串聯，更要開創「多元水源」

有了聯通管串聯，就能解決缺水問題嗎？賴署長給出否定答案：「如果只有一種供水方式，突然有意外就完了。當然要有多股水源，多條管線。」

過往開發新水源，直覺想到的是蓋水庫，不過蓋水庫不僅要謹慎評估該地是否有充足水源，考慮安全性及經濟性是否合理，更要謹慎評估對環境生態的影響，通常一座水庫從規劃到興建完成，需耗時數十年的時間。

為了因應氣候變遷與逐步增加的用水量，水利署目前已朝「多元水源」的方式來尋找新水源，像是南化與寶山第二水庫藉由「溢流堰加高」擴增蓄水量，臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」，以及以及高屏溪的「伏流水」與新竹的「海淡水」，這些多元水源將與水庫水、川流水及地下水等傳統水源共同支撐起全臺用水。

此外，水利署也正想辦法讓洪水資源化，臺灣山高水急，大雨過後的洪水大部分都流向大海，只有少部分可被水庫收集，像是「河槽人工湖」就能增加收集水量，來供應日常使用，或補注超抽的地下水。

地區性強降雨解決方案—從「不淹水」轉變為「耐災韌性」

受氣候變遷影響，近年臺灣短延時強降雨頻率提高，低窪地區或排水系統也時常發生淹水，顯現目前臺灣防洪工程的不足。

過去臺灣由於預算有限，治水策略多以建護岸、堤防或下水道為主，然而這種作法有其極限，即便已完成防洪工程的區域，也未必能面對未來極端降雨的情況，為此，水利署改變過往治水策略，從「不淹水」轉變為「耐災韌性、與水共生」，而在多年來中央與地方政府的聯合推動下，各地開始邁向「逕流分攤」的方式來治理水患。

「逕流」是指下雨時地表土壤無法吸收的水份，在地表形成的水流。「逕流分攤」是在淹水較為嚴重的河段，於新建（或改建）公共設施時，以不妨礙設施功能，建設洪水期間可收集逕流的滯洪池。此外，為提升土地耐淹能力，「出流管制」政策也要求開發單位，必須提升建築物的透水、保水與滯洪能力。

以日本東京鶴見川為例，由於東京市的發展，導致土地保水、滲透能力降低，洪水尖峰流量增加，更容易發生淹水。為此日本將橫濱日產體育館建置成兼具滯洪功能的公共設施，來應對鶴見川的洪峰流量，館場下方的滯洪池高度高達五公尺，平日則作為停車場使用。

「我們希望所有的土地都能更有效地利用，例如我們學校的操場，如果下面是一個蓄水池，那大雨下來是不是就不容易淹水了？」賴署長表示，近期開工的鹿港洛津國小的地下停車場兼滯洪池工程，正是「逕流分攤」的案例。

風暴將至，我們能做好準備嗎？

賴署長略為嚴肅地說：「我不期待氣候型態會回到 30 年前。」並重提了在 IPCC 的最優預測（SSP1-2.6）下，臺灣仍必須在 2050 年面對暴雨強度提高 15.7% 的情況。

無論我們怎麼做，風暴已確定到來，那麼我們能事先做好準備嗎？賴署長說：「我認為我們能做到的，是使用適當的方法趨吉避凶。」隨著科學進步，模擬變得越來越精準，但終究還是預測，存在不確定性，雖然 2050 年最優預測是暴雨強度提高 15.7%，但上限呢？真的就只有前面提到的 20% 嗎？賴署長提醒我們要面對氣候變遷的現實，並在面臨風暴來臨之前做好準備，這個準備不只要能面對預估強度，更要有足夠的韌性，來面對超越預期的情況。

最後，賴署長說：「每個巨大的改變，一定是從一個微小的生活習慣，比如說開始固定運動，或是固定減少能源浪費。」也許現在看來微不足道的小動作，都將是未來的「重要一步」，就像蝴蝶效應一樣。

相信科學數據，擁抱不確定性，積極做出因應，這不僅是賴署長個人的想法，也是水利署全體的信念，唯有如此，才能在超乎預期的「風暴」來臨之前，做出最好的選擇。

• 全球水資源：三分之一人類「高度缺水」 – BBC News 中文
• Future global urban water scarcity and potential solutions | Nature Communications

• 本文與台灣科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《「刺胳針研究：英國Omicron和Delta的住院、死亡風險比較」解析》
• 資料更新至 2022 年 4 月 8 日，完整文章請見上方連結

2022 年 03 月 16 日，國際期刊《刺胳針》（Lancet）刊登一篇研究「Comparative analysis of the risks of hospitalisation and death associated with SARS-CoV-2 omicron (B.1.1.529) and delta (B.1.617.2) variants in England: a cohort study」，主要是想透過英國衛生安全局（UKHSA）的 COVID-19 國內確診數據，分別從就診、住院和死亡的數據上比較相對風險，了解 Omicron 相較於 Delta 的嚴重程度。

這篇研究，是由英國劍橋大學的湯米・尼伯格教授（Tommy Nyberg）團隊，收集 2021 年 11 月至 2022 年 1 月間，英國國內監測 COVID-19 感染後的確診數據，並比較 Omicron 和 Delta 對不同年齡階段、不同免疫狀態的人群感染的嚴重程度，包括就診、住院治療及死亡風險的變化。

mRNA 疫苗保護力強？

其中在比較 mRNA 疫苗施打的結果上，研究發現，施打 mRNA 疫苗加強免疫系統，對防止 Omicron 的住院和死亡，具有高度保護作用。

數據顯示，「有施打 mRNA 疫苗」發生住院與死亡的風險比值（HR）是「未施打疫苗」的 22%。（HR for hospital admission 8–11 weeks post-booster vs unvaccinated: 0·22 [0·20–0·24]）也就是與「未施打疫苗」相比，「施打 mRNA 疫苗」的 8 到 11 週後，發生住院的風險下降了約 78%。

解讀時，要注意！

該研究是在比較「施打 mRNA 疫苗」與「未施打疫苗」發生住院與死亡風險，使用的是風險比（Hazard Ratio, HR），是指在相同時間裡兩個風險率的比值。

如同前面提到，在 Omicron 的研究結果中，「有施打 mRNA 疫苗」會發生住院與死亡的風險，是「未施打疫苗」的 22%。意思是與「未施打疫苗」相比，「有施打 mRNA 疫苗」發生住院的風險下降了約78%。

這邊的 22%，是來自「有施打 mRNA 疫苗」 vs. 「未施打疫苗」兩個群體，發生住院狀況的風險比值，而不是指「未施打疫苗者」發生重症與死亡的發生率。也就是說：「400 萬人未施打疫苗，其中會有將近 80 萬人重症或死亡。」這是錯誤的歸納且與該研究觀察結果無關。

此外，我們也無法透過上述的風險比較，回推「未施打疫苗」群體，發生重症或死亡的比例。