白喉病有救啦！抗毒素與疫苗是幕後功臣——《免疫的威力》

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。

• 文／林芸寬、張愷丰、張庭瑀、郭亮均、林詠真 

最新研究：寵物與新生兒健康的密切關聯

現代家庭飼養寵物的比例逐年上升，貓狗已成為人類最親密的夥伴。農業部最新（2023）的資料發現，臺灣飼養貓狗的比例上升，家犬較上一期（2021）增加 19%；家貓較上一期增加 50%。然而，許多新手父母常擔心，飼養貓狗可能會影響新生兒的健康，像是引發呼吸道過敏等疾病，但近期的科學研究提供了相對令人安心的解答。 

科學家發現，飼養貓狗也許有益家庭中新生兒的健康。最新研究證實，家中貓狗不僅能增添樂趣，更能減少新生兒感染呼吸道疾病的機率。早在 2012 年，就有芬蘭研究團隊追蹤鄉村地區 397 名新生兒，自出生到一歲的健康狀況，發現有飼養貓狗家庭中的新生兒，較少感染呼吸道疾病。研究詳實記錄貓狗與新生兒的互動頻率，及其對新生兒健康的影響。

腸道菌相的力量：微生物如何提升寶寶免疫力

今（2024）年聖路易華盛頓大學兒科團隊發表在《Pediatrics》的最新研究，分析新生兒的就醫紀錄，並透過對父母的訪談，探討「親餵母乳」、「家中飼養貓狗」、「新生兒醫療需求」三者間的關係。研究發現，親餵母乳且家中有飼養貓狗的新生兒，出生六個月內對醫療服務的需求相對較低。華盛頓大學團隊推測，這可能是貓狗身上的微生物 ，增加了環境中微生物多樣性，並影響新生兒的免疫力。 

環境中微生物多樣性，與新生兒免疫力的關係為何？至今仍是未解的問題，但根據現有的研究，這很可能與新生兒體內「腸道菌相」的差異有關。「腸道菌相」是胃腸道中的微生物群落，由細菌、病毒和真菌組成，它們在我們的免疫系統發展中扮演了重要角色，特別是在生命的早期階段，對腸道的健康和功能有著深遠的影響。

為何養狗的新生兒感染率更低？

2023 年的一項研究，進一步探討環境中微生物多樣性與新生兒免疫力之間的關係，揭示腸道菌相的多樣性在在影響了新生兒的健康。研究顯示，家中飼養狗的新生兒，其腸道中的梭桿菌、科林氏菌和瘤胃球菌等菌群明顯較多，這些菌種的豐富性有助於免疫系統的發育，也可能有助於減少新生兒過敏與氣喘的風險。

有趣的是，這份研究也提到，對於喝配方奶的新生兒而言，其腸道菌相的組成與養狗有關，「與狗接觸」可能成為他們獲取環境微生物的替代途徑，補充因缺乏母乳餵養而缺少的微生物，從而幫助免疫系統的發展。

目前研究雖無法直接證實接觸貓狗可以增強免疫力，但可以確定的是，接觸貓狗的小孩，腸道內的微生物多樣性高，也比較不容易生病，新手父母可以不用太擔心養狗對小孩發育的影響。同時，與狗接觸還能改變嬰兒腸道中的微生物組成，這或許有助於減少呼吸道疾病的發生風險。

資料來源： 

1. https://www.moa.gov.tw/theme_data.php?theme=news&sub_theme=agri&id=9418
2. https://publications.aap.org/pediatrics/article/130/2/211/29895/Respiratory-Tra ct-Illnesses-During-the-First-Year
3. https://www.nature.com/articles/s41390-024-03200-9
4. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/cea.14303

公元 2023 年 4 月 28 日 Science 期刊發表專題「Zoonomia 計畫」，包含多篇定序、分析大量哺乳類的論文。其中一篇論文的分析尺度最小，研究對象的知名度卻最高，那就是一百年前名犬「巴圖（Balto）」的古代基因組。

先來緬懷巴圖的事蹟：他在 1925 年 2 月 1 日頂著低於零下 30 度的氣溫，駕駛雪橇 7.5 個小時，穿越 85 公里，與同儕成功將白喉血清送到目的地，拯救許多人命。

白雪季節，白喉來襲

巴圖的飼主 Leonhard Seppala 於挪威成長，後來搬到阿拉斯加，是駕駛雪橇以及培育雪橇犬的專家。巴圖 1919 年在阿拉斯加出生，從小與眾多同儕一起訓練，成為優秀的雪橇犬。

阿拉斯加西部的小鎮諾姆（Nome）在 1924 年底約三千居民，只有一位醫師 Curtis Welch 和四位護士。1925 年一月中，醫師確認恐懼的事正在發生，白喉已經入侵，人類開始死亡。

幾年前 H1N1 大流感（西班牙流感）襲擊諾姆，在醫療資源有限的當地造成重傷害。如果不及時阻止，白喉恐怕也將導致大災難。那時已經有白喉抗毒素（antitoxin）可以對付白喉桿菌，醫師緊急請求支援，也得到回應。

然而，地點、時節都很尷尬。諾姆離海港較近，可是時值嚴冬，被凍結的港口無法水運。那個年代已經有飛機，評估空運的成功機率卻不高。陸路是有鐵路，但是距離也相當遙遠。

陸海空方案中，陸路機會最高。最終人們下了艱難的決策：交給傳統技藝「雪橇宅急便」。當局緊急招募多位老經驗的雪橇駕駛人，與精銳雪橇犬組隊，一隊接力一隊，將白喉抗毒素血清送往諾姆。

一千公里的雪橇宅急便

任務極為困難，路途遙遠、氣候惡劣以外，血清預計只能維持 6 天。那時兩地郵件寄送預計為一個月，意思是要把本來普通天候下的一個月，縮短為酷寒下的 6 天時程。

最後擬定的計畫相當精密，貨物先由鐵路送到最近的尼納納（Nenana）。接著雪橇隊將從兩端同時出發，一邊從尼納納向前狂奔，送到努拉托（Nulato）；另一邊從諾姆出發，各隊依序就位，到努拉托收件，接著往回狂奔。

用台灣類比，像是把東西從台北送往高雄，一邊從台北經由桃園、新竹、苗栗、向台中前進，另一邊從高雄先向台中，沿路在台南、嘉義、彰化就位，再往回走。

從台北到高雄，國道一號的路程約為 350 公里，尼納納到諾姆則超過 1000 公里。大部分隊伍頂著零下 30 到 50 度的氣溫，前進 40 到 80 公里的距離。最後在 20 位雪橇駕駛員及 150 位雪橇犬日夜不停接力下，只花 5 天半就將血清送到諾姆。

開路先鋒 Bill Shannon 的 84 公里過程最凶險，他與 9 狗在零下 40 到 52 度的風雪中趕路，半路 3 狗不敵酷寒，不幸犧牲（三狗名為 Cub、Jack、Jet），人臉也嚴重凍傷，所幸隊伍依然完成任務。

貢獻最大的人是倒數第三棒，也就是巴圖的飼主 Leonhard Seppala。他帶領 20 狗，讓最信任的「圖哥（Togo）」與 Fritz 領隊，先從諾姆向東前進 270 公里就位，收件後又狂飆 146 公里，成為里程最長的隊伍。

圖哥也成為這趟任務中，貢獻最大的狗狗。他生於 1913 年，雪橇宅急便時 12 歲，後來活到 1929 年，16 歲去世。

英雄旅程，以及英雄的餘生

巴圖的飼主不特別看重他，所以沒有帶他同行，而是交給同樣來自挪威，在阿拉斯加工作的 Gunnar Kaasen。巴圖和同儕 Fox 是最後一棒共 13 狗的領隊，他們原本預計是倒數第二棒，負責從 Bluff 到 Safety 的 40 公里。

不過凌晨 2 點多抵達交棒地點時，預計接手的 Ed Rohn 判斷暴風雪會延誤行程，正在睡覺。Gunnar Kaasen 決定自己繼續趕路，最後累積 85 公里，在 2 月 1 日 5 點 30 分抵達諾姆。

及時獲得支援的 Curtis Welch 醫師，與手下成功控制白喉疫情，將傷害減到最輕。Alaskan Lives Matter！

當時雪橇宅急便是全美國關注的新聞，廣大民眾都很緊張是否能成。雪橇犬、駕駛人都被視為英雄，成為焦點話題。巴圖的貢獻應該算第二名，不過最後是他將血清送到目的地，這位 6 歲的狗狗也獲得最大的名聲。

熱潮過去後，巴圖被賣到洛杉磯，成為展示動物。1927 年，拳擊手轉職商人的 George Kimble 在洛杉磯見到巴圖，覺得這位英雄的待遇有夠爛，便運作讓巴圖與 6 位同儕搬到他的家鄉克利夫蘭。

巴圖抵達克利夫蘭時，受到遊行熱烈歡迎。他在動物園度過餘生，1933 年 3 月 14 日去世，享年 13 歲。接著化身為標本，成為克利夫蘭博物館的一員陪伴大家，直到 90 年後的現在。

遺傳一極棒，卻已經消逝的狗群

2023 年發表的論文由巴圖的皮膚取得 DNA，平均覆蓋率 40，品質相當好。歷史記載看他是西伯利亞哈士奇（Siberian husky），但是要等到他出生後 11 年， 1930 年這個品系才被美國犬業俱樂部（American Kennel Club）認證。

和現代品系相比，巴圖合計有 68% 血緣與多款北極狗一致。西伯利亞哈士奇只有 39%，格陵蘭雪橇犬 18%。有趣的是還配備 24% 的亞洲狗狗血緣，而且毫無任何狼的成分。

巴圖所屬的狗群，依照歷史記載源自西伯利亞，由於體型小、速度快、適合雪橇，所以被帶到阿拉斯加培育。和如今所有的品系狗比較，他配備的潛在有害變異較少，DNA 多樣性較高，遺傳上更加健康。

和一百年前的巴圖相比，如今的北極狗近親繁殖更嚴重，有害變異更多。巴圖 6 個月大便已絕育，沒有後代。他所屬遺傳更多元的族群，也已經消逝了。

根據 DNA 變異能預測古狗的形貌，只是以前都不知道準不準。巴圖有照片也有標本，可以精確比較。預測他有雙層狗毛、大部分黑毛加上少量白毛、肩高 55 公分，都符合實況。現今西伯利亞哈士奇的肩高介於 53 到 60 公分，巴圖算是範圍內略矮的。

另外有意思的是澱粉。遺傳上，狼、北極狗消化澱粉的能力最差，其餘狗從好一點到好很多。巴圖看來比其餘北極狗好一點，但是離多數狗差一截，符合他大量北極、少量亞洲血緣的遺傳背景。

他們都是英雄

巴圖的飼主 Leonhard Seppala 沒有將其選進自己的小隊，加上臨時更動計畫，反倒使得巴圖成名。其實知道多一點歷史就會覺得，歷史上最不意外的，就是發生意外。

Leonhard Seppala 事後曾經抱怨，他的難波萬愛犬圖哥應該享有的鋒芒，被巴圖獲得。歷來也不缺少貶抑巴圖的好事之徒，指控他不是隊長等等（巴圖也許不是唯一的隊長，但是反駁他擔任隊長的證據都弱弱的）。

可是稍微想想就知道，比圖哥年輕 6 歲的巴圖，當然不是弱雞。運送血清的漫長過程，只要一次失誤便前功盡棄，能參與的肯定都是精英。而巴圖也不辱使命，證實飼主調教有方。

重要的是，1925 年的雪橇宅急便及白喉保衛戰中，不論每一位有什麼貢獻，所有的狗與人都冒著巨大的風險工作，拯救許多人。他們都是英雄，我們懷念他們。

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參考資料

1. Moon, K. L., Huson, H. J., Morrill, K., Wang, M. S., Li, X., Srikanth, K., … & Shapiro, B. (2023). ​ Comparative genomics of Balto, a famous historic dog, captures lost diversity of 1920s sled dogs. Science, 380(6643), eabn5887.
2. Genome of famed sled dog Balto reveals genetic adaptations of working dogs
3. Hidden details of world’s most famous sled dog revealed in massive genomics project

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。