揭開秋海棠斑葉的光學魔術

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。

顏色會依照我們觀看的對象吸收和反射的光而有所不同。樹葉因為會吸收所有藍色和紅色系光譜，只反射綠色，因此看起來是綠色的，而讓樹葉顯現綠色的東西，便是負責養育生命的葉綠素。

需要光合作用時也只會紅通通的日本紅楓

當然，也有葉子不是綠色的。樹木一生中雖然會變換顏色，但也有一開始長葉就不是綠色的。關於這類樹木，首先想到的便是日本紅楓（Acer palmatum ‘Shojo-Nomura’）。

日本紅楓連剛冒出葉子時也不泛綠色，和它的名字一模一樣，打一開始就很紅。那麼，日本紅楓紅色的葉子裡沒有葉綠素嗎？如果缺少葉綠素，樹木無法行光合作用；若不行光合作用，將無法製造生存所需的養分，那究竟該如何生存呢？

所有樹葉裡都有葉綠素，但是除了葉綠素，還有類胡蘿蔔素、花青素和單寧等各種成分，我們需要從這裡找出頭緒。類胡蘿蔔素、花青素和單寧等成分分別呈現黃色、紅色和褐色，葉子雖然從一開始就具備多種顏色的成分，但在更需要光合作用的時候，葉綠素會上來表面；待過了秋季，逐漸接近無法行光合作用的冬季，其他顏色的成分才會開始活躍，秋楓便是如此。然而，日本紅楓即使在需要光合作用的時期，葉子也只會紅通通的，非常奇妙。

淺綠色顯露出來的瞬間

日本紅楓是人們培育出來的品種，以做為造景用的觀賞樹木。換言之，日本紅楓並不是在自然狀態下生長的樹木，而是人們為了更長時間觀賞楓樹的紅色葉子所培育的品種，讓它一年四季都能呈現紅色。雖說紅色葉子裡頭同時含有泛綠色的葉綠素，但不管再怎麼看，都看不到綠色。

我再次重申，觀察樹木需要長時間、仔細地觀察。日本紅楓葉子上的紅色氣息轉淡的現象一年大概會發生兩次，分別是開花與果實逐漸成熟時，也就是樹木最需要養分的時刻。這時的日本紅楓葉子會發生非常細微的變化，乍看之下無法得知其差異：仍然泛著紅色，仔細觀察卻能在葉子某些部分感覺到綠色的氣息。

雖然葉子顯現紅色，但葉綠素若不進行光合作用，樹木就無法存活，在開花和結果等需要大量養分的關頭更是如此，這種時候只要仔細確認日本紅楓的葉子，將能感覺到葉綠素行光合作用活動的跡象。葉子上面延展的葉脈或葉柄端的紅色會轉淡，非常顯眼。果實結果和逐漸成熟時也一樣，可以在變淡的紅色之間突然看見綠色。即便葉子是紅色的，葉綠素還是會在它非常迫切需要養分時活躍起來，無怪乎顯現了綠色。

黃金松的樹葉只有黃色嗎？

日本紅楓是人工選育的品種，但自然狀態下也有樹木不是發綠色的芽，好比名為黃金松（Pinus densiflora ‘Aurea’）的樹木。雖然松樹的葉子一年四季都是綠色，黃金松的葉子卻呈金黃色。黃金松是松樹的品種之一，是相當稀有的樹木，它只有下方呈綠色，整體看來葉子是金黃色的。據說從以前開始，只要天氣乾旱，黃金松的金黃色葉子就會變成褐色，梅雨季則變成綠色，對於觀察氣候十分必要，不過這種說法並無科學根據。儘管如此，據說以前農夫們乾脆叫黃金松「天氣木」。

韓國曾經發現幾棵自然狀態下的黃金松，特別是慶尚北道蔚珍郡周仁里的黃金松就被指定為地方紀念物，是一株受到保護的珍貴樹木。這棵黃金松曾是預測氣候的標準，村裡亦相傳若發生戰爭，它的葉子會泛紅。

蔚珍郡周仁里的黃金松和旁邊其他樹木的葉子顏色不同，一眼就能清楚看出來。這棵佇立在斜坡上的樹木已有五十歲左右，由於被指定為文化財，四周圍上了柵欄、被確實地保護著。雖然遠處就見得到它神祕的模樣，但務必近距離觀察。必須仔細觀察葉子，才能得知樹木的祕密，知道樹木如何用金黃色的葉子製造養分、使自己生長。

即便植物圖鑑裡記載「除了葉子的基部，其他都是黃色」，實際上再怎麼觀察，仍然很難說是黃色，非要講的話，比較接近綠色和黃色混合在一起的淡綠色。當然，顏色以針葉來說算特別，但不能說是黃色或金黃色。與其說黃金松的葉子是金黃色的，不如說是以綠色為底，黃色顯現得稍微強一點。

無法丟掉綠色的原因

我們談日本紅楓和黃金松，但擁有紅葉或黃葉的樹木不只這些，尤其是觀賞用的培育品種中，還有不少葉子的顏色相當五彩繽紛。然而，不管是哪種樹木，都無法完全丟掉綠色，因為綠色是葉綠素的顏色，而葉綠素是樹木的生命之窗。

——本文摘自《樹葉物語》，2023 年 5 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

編按：此為個人實驗結果，對內容有疑問者可向作者詢問。

自從退休之後，6 年來已習慣晚上到附近公園運動，某日，讀國小四年級的金孫跟我說：「阿公，植物白天光合作用會吸收二氧化碳，晚上會吐出二氧化碳，空氣不好，不要晚上去公園運動啦！」；確實，上網搜尋，有不少類似「夜間公園空氣不好」、「臥室不要擺盆栽」等擴大解讀植物光合作用的文章。

夜間（19 時～22 時）在公園運動的人不少，有慢跑的年輕人、有散步的銀髮族、有跳舞或練功的社團群眾，也有帶小孩玩溜滑梯、盪鞦韆等遊戲的家庭成員，那麼多人在夜間的公園活動；因此，「夜間公園空氣不好（太多二氧化碳），有害健康」的說法，似乎不符合常識邏輯，否則應有大半之慢跑、快走的人，將會休克，叫救護車送醫了。

其次，如果「臥室擺盆栽，有害健康」係金ㄟ，那麼，山上居民豈不會多病或短壽？似乎也不符合常識邏輯；敝宅客廳擺了 6 棵盆栽，N 年來夜間看電視 4 小時，健康損多少？

光合作用的 CO₂ 及 O₂ 值可以量測嗎？

網路上可找到許多探討「森林（樹木）的碳吸存」之類的文章，諸如：不同植物（喬木、灌木、草本…）的固碳量、每年每棵樹約可吸收 12kg 的 CO₂、一棵成熟樹約可提供一戶 4 口家庭的氧氣需量、植物大約吸收人類排碳量的 29% 等；林務局的網站說：「根據光合作用【森林碳儲存】反應式，林木生物量每增加 1 公噸，可吸收 1.6 公噸的二氧化碳，同時釋放 1.2 公噸的氧氣…」，這些公認的超現實數據，可否簡單地以一棵盆栽樹，來證實光合作用吸多少二氧化碳？釋放出多少氧氣？

在探討室內空氣品質（Indoor Air Quality）時，有一定的安全參考值，例如：連續 8 小時之二氧化碳 ≦1,000 ppm、一氧化碳 ≦9 ppm、甲醛 ≦0.08 ppm、氧 ≧18%，醫院及百貨商場等公共場所，多設有室內空氣品質監測儀器；顯然，有儀器可以量測二氧化碳、一氧化碳及氧等氣體的具體數值。

為了跟金孫簡單地解釋光合作用的「吸碳排氧」理論，特別花 2 萬多元買了一組可量測空氣中之二氧化碳、氧氣及溫濕度的空氣品質分析儀（Lutron/AQ-9918SD，精確度：CO₂±40ppm、O₂±0.2%、溫度±0.8℃），分別於正午及半夜，到公園、植物園區及大停車場等場所，量測白天及夜間之 CO₂（ppm)）和 O₂（%） 的變化，並且順便於自己臥室，量測在有、無盆栽狀態下，1 人睡覺時之 CO₂ 和 O₂ 的變化，結果卻逆轉「夜間公園運動、臥室擺盆栽，有害健康」的常識。

國小的光合作用反應式： 二氧化碳＋水     葡萄糖＋氧＋水

「夜間公園運動、臥室擺盆栽，有害健康」的理論，顯然與植物的光合作用有關，姑且由我們所認知的空氣成份常識談起，在維基百科中可找到如表 1 的空氣成份，例如，標準空氣之 O₂ 含量為 20.942% 及 CO₂ 含量為 330ppm（0.033%）等。

呼吸時，吐出最多的氣體是二氧化碳？

首先，以新購之空氣品質分析儀，進行人體呼吸實驗；以鼻吸口吐方式（圖 1），將吸氣吐入密封塑膠袋中，測試紀錄如下表，約經過 3 分鐘後（NO.7），CO₂ 由正常值之 373ppm 劇升為 15,606ppm 以上，而 O₂ 由正常值之 21.5% 降為 17.3% 以下（空氣氧含量安全值：≧18%），同時，吐出氣體含水汽，使露點溫度（℃dp）由 18.4℃ 劇升為 22.2℃ 以上（塑膠袋內產生水汽）；此證實人體呼吸確實是吸入 O₂ 而吐出 CO₂ 及水汽，將儀器探棒取出後（NO.14），CO₂ 及 O₂ 含量則逐漸恢復正常（如表 2 所示）。

由表 2 的數據，如果你以為人體呼吸吐出的氣體中，大多是 CO₂ 和水汽，那就錯了。依維基百科的資訊，因為鼻子吸入的空氣中，氮佔 78%、氧佔 21%、CO₂ 佔 0.033%、水汽佔 1.3%，所以，人體吐出的氣體中，體積比最多的依舊是氮氣，約佔 78%（不被需要，又被吐出來）、氧約佔 13%～16%（減少）、CO₂ 約佔 4%～5.3%（增加）、水汽約佔 5%（增加），以及原被吸入的痕量氣體，又被原封不動的吐出來。

盆栽光合作用的量測值，違反吸碳排氧理論

其次，找一棵種了約 6 年多的鳶尾花戶外盆栽（圖2）做實驗；以透明塑膠袋罩住（圖3），進行光合作用實驗，5 秒記錄 1 筆，持續 25 分鐘，為節省篇幅，僅摘錄每 1 分鐘 1 筆。

如表 3 所示，可看出前 4 分鐘（NO.1～5）之 CO₂ 值有明顯下降（吸碳），符合光合作用的吸碳理論，但是，O₂ 值也由 21.4% 降至 20.2% （吸氧而非排氧）；然而，自第 5 分鐘（NO.6）開始，CO₂ 值又逐漸回升至第 25 分鐘（NO.26）的 632ppm（排碳），而 O₂ 值仍續降至最後的 18.2%（吸氧），亦即自第 5 分開始（NO.6），完全顛覆了植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

此時，塑膠袋內佈滿霧狀水汽（露點溫度由 20.0℃ 劇升至 35.4℃，即為數據明證），溫度也由起始的 27℃ 升至 56.8℃（如同密閉汽車日曬而溫升至 60℃ 以上一樣）。

因為「光合作用的吸碳排氧理論」是眾所皆知的知識，筆者不死心，分別於白天（正午）及夜間（深夜），量測灌木欉、喬木園區、大停車場、大稻田及臥室的 CO₂ 與 O₂ 值，方法或許不夠嚴謹，但是，若依表 4 的量測值總表，確實無法證明植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

表4說明：

1. NO.1、2、3 是開放空間的量測結果；夜間的 CO₂ 值均低於白天，且夜間的 O₂ 值均高於白天，因此，「夜間不宜在公園運動」的常識可能有誤。
2. NO.4 及 5（與植物無關）的量測值，其夜間、白天的 CO₂ 值及 O₂ 值互有高低，量測值仍在儀器誤差範圍內；然而，可確定「CO₂ 值及 O₂ 值，除了海平面高度與地點因素之外，亦會隨著溫、濕度之變化而改變」。
3. NO.6 之臥室在有、無盆栽時（圖 4）的量測結果，由 6b 之比值可知，無論有、無盆栽，CO₂ 值幾乎無變化（無盆栽 66.73%，有盆栽 66.70%），對此結果感到非常詫異。
4. 重做一次如 NO.7、7a、7b，結果依舊近似，無盆栽為 73.52% 與有盆栽為 71.78%，而 O₂ 量亦維持減少 0.47%；顯然，「臥室擺盆栽，有害健康」的常識，亦可能有誤。
5. NO.7b 的 CO₂ 均值，白天（+73.52%）比夜間（+71.78%）高 1.74%，可能出自儀器誤差，或 NO.8 之 CO₂ 值下降 9.27% 之故。
6. 為了解 NO.6b 及 7b 的結果是否正確，做一次「臥室無人睡、僅擺盆栽」的量測，結果如 NO.8，盆栽在夜間 7 小時中，CO₂ 量減少了 9.27%，O₂ 量增加了 4.69%，與植物夜間呼吸作用的「吸氧排碳」理論顛倒。
7. 因而再做 NO.9 的量測，將盆栽移至臥室南側的窗邊（圖 5，日曬 9：05～14：20），由 9：00 量測至 16：00（7小時），CO₂ 減少 12.4%，似乎有吸碳功能，但 O₂ 減少了 1.4%（在儀器誤差內），也不符合植物光合作用的「排氧」理論。

本文之 10 次量測實驗，均有完整記錄，但限於篇幅，僅能提供如表 4 的總表；在做了數次量測之後，發現即使是同一植物或場所，以同一台儀器量測，可能因（1）陽光強度（雲層厚度）、（2）環境溫濕度、（3）量測方式、（4）取樣時距（10秒、20秒、30秒…）、（5）量測時間（20分、30分、60分、120分…）之不同，而有不同的結果，不過，這五種不同情況的量測誤差，多在 ±3% 之內。

表 4 量測方式之說明例

為了證明筆者確實有做量測實驗，於此說明表 4 NO.7 的量測方式與記錄如下：

因為（同一地點）空氣中的 CO₂ 及 O₂ 值，會隨溫濕度變化而改變，所以，本量測方式，以上床後之前 10 分鐘與醒來離床前 10 分鐘的均值做比較，每 5 分鐘記錄一筆，持續 7 小時，分別做了臥室無盆栽及有盆栽之量測；1 人睡覺的 CO₂、O₂、℃db（溫度）及 ℃dp（露點溫度）的 7 小時記錄值如表 5a、表 5b，不論是無盆栽（表5a）或有盆栽（表5b），CO₂ 值均呈緩緩上升的趨勢，而 O₂ 值均只降了 0.1%，仍在儀器誤差範圍內，無法證明 O₂ 值是增加或減少。

將表 5 的量測記錄，轉換為趨勢圖，可看出在無盆栽及有盆栽的 7 小時量測期間，雖然兩者的起始值不同，但是，CO₂ 值均呈緩緩上升的趨勢，且兩者之線性（y=ax+b）迴歸分析的斜率（a）幾乎相同，因此，可證明夜間臥室擺盆栽，不會增加 CO₂ 量，亦即無法證明「臥室擺盆栽，有害健康」的常識為真。

結語

樹葉真有能力分解空氣，只吸收空氣中僅佔約 400ppm 的 CO₂，而不吸入空氣中的其他成分氣體？光合作用的「吸碳排氧」理論，是否被過度解讀？由前述的人體呼吸實驗，正確的說法，是否應為「吸入空氣僅部份的 CO₂ 被吸收，而有部份的 CO₂ 和不被需要的氮氣、氧氣等均被吐出」？

筆者非植物專家，僅是一位秉持常識邏輯思考原則的退休工程師；本文之 10 種場合的量測樣本數仍嫌不足，不宜此結果下定論；但是，量測結果不符合植物「光合作用」的「吸碳排氧」理論，無法給金孫一個合理的解釋，反而搞混她在學校所學的「光合作用」知識，希望有專家賜教，指正本文之錯誤或做合理的說明。