幫太空船寫程式的人：阿波羅計畫的工程師瑪格麗特・漢彌爾頓 ——《重返阿波羅》

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。

2019 年 7 月 20 日是人類登陸月球 50 週年，大部分的眼光都集中在人類在另一個星球留下腳印這件事，不過阿波羅計畫其實包括了許多科學實驗，讓我們對地球最近的鄰居，有更清楚、正確的認識。

月球怎麼來的？

數千年來，月亮一直是墨人騷客創作的題材，不過我們對月球起源的了解，卻是最近一、兩百年的事。

1898 年喬治·達爾文（George Darwin）提出「分裂說」，他認為月球是地球愈轉愈快，地球受離心力的作用下分裂、甩出來的。分裂說提出後廣受歡迎，甚至被編入美國中學教科書裡。但是分裂說有一個缺點，它無法解釋為何地球會愈轉愈快，而且快到把一部分的物質甩出來。一般的情況下，天體的自轉速度不會有太大的變化，除非受到外力的影響。

1950 年代時另一個月球起源的學說「撞擊說」被提出，這個理論認為地球早期受一顆火星般大的天體劇烈撞擊，撞擊後的物質從地球表面飛濺到地球軌道，這些地球軌道上的物質在重力作用下凝聚形成月球。

阿波羅太空人採集月球土壤和岩石，帶回地球後，科學家分析月球氧同位素比例，發現月球氧同位素比例和地球表面上一樣。這項證據支持撞擊說，因為劇烈撞擊會把撞擊天體和地球表面物質混合，這會讓月球和地球氧的同位素比例非常接近。撞擊說是目前最被科學家接受的月球形成學說。

我們與月的距離

月球是離我們最近的天體，即使如此，我們也不能用尺來量測月球與地球的距離。最精準的量測方法是用雷射，從地球上打一道雷射光到月球，雷射光被月球反射後再回到地球的接收站，只要量測雷射光從發射、反射到接受的時間，把這個時間的一半乘上光速，就可以得到準確的地月距離。

這個原理簡單的方法實際上並不簡單，因為月球表面的反射率不高，無法把地球發射的雷射光有效地反射回地球。這個方法要等到阿波羅太空人把反射鏡送上月球表面後才能真正運作。科學家長期量測地球與月球距離後，發現月球以每年 3.8 公分的速度遠離地球，這是地球和月球之間潮汐力相互作用的結果。

月球上也有地震！？

阿波羅太空人攜帶一些科學儀器到月球，其中比較比較著名的是月震儀。月震儀和地球上的地震儀相似，只是月震儀用來量測月球上的地震。

月震儀除了量測月球的地震外，還可以用月震來研究月球內部的構造。科學家透過月震儀發現月球有一個核心，地殼和核心之間有地函。

最近（2019年5月）科學家用舊有的阿波羅月震儀資料做新的分析，他們發現有一些月震發生在斷層附近，這個斷層可能是月球冷卻收縮的結果，這項結果顯示月球目前依舊有地殼活動的現象！

太空人吃的食物其實很豐富

月球上的第一餐有培根條、桃子、甜餅乾、咖啡，和一種鳳梨葡萄柚飲料。尼爾・阿姆斯壯和巴茲・艾德林在月球表面著陸之後、開始第一次月球漫步之前，就在吃東西。艾德林也利用任務程序之間的短暫休息，進行他的聖餐禮。

技術人員為任務的登月部分準備了四份餐。第二餐比較豐盛，內容有燉牛肉、奶油雞湯、椰棗果乾蛋糕、葡萄潘趣飲料，以及柳橙汁。

在美國太空飛行的最初幾年，連人類是否可以在太空中飲食都沒有人敢確定。約翰・葛倫在友誼 7 號飛行中的餐點包括蘋果醬包、麥芽乳錠， 以及牛肉蔬菜泥。這不是為了他肚子餓時準備的，而是要了解人體在微重力環境下能不能吞嚥和吸收食物。

幸好沒有問題。葛倫開玩笑說，只要漂浮的麵包屑不至於無法控制，或許帶個火腿三明治還比較實際。

幾年後，當約翰・楊和高斯・格里森在雙子星 3 號（Gemini 3）任務中偷偷帶著醃牛肉三明治時，媒體和美國國會要求 NASA 得更注意太空人在口袋裡攜帶什麼東西。雙子星計畫的正規餐點是要實驗食物的保存和還原， 而且要足夠可口，不至於讓太空人難以下嚥。但這種食物的設計要提供足夠的營養，且要能避免食物碎屑在太空艙中亂飄這類危險。

和水星計畫、雙子星計畫比起來，「咖啡很難喝，但至少是溫熱的，又是熟悉的味道，讓我隱約想起地球上的早晨。」麥可・柯林斯，阿波羅11號指揮艙駕駛

阿波羅任務的食物計畫帶來很大的進步和多樣性。最重要的進展，或許是能夠在太空船中使用熱水。太空人可以用一種水槍，讓密封塑膠包裝中的乾燥食物復水，再以湯匙或包裝上附的吸管來食用。這種新方法的確比較接近地球上的進食方式。

太空人的客製化菜單

飛行菜單的規劃都曾仔細徵詢太空人的意見。每位太空人要對菜單進行評估，從 NASA 的營養指南中挑選菜色。典型的每日餐飲包含 2500 到 2800 大卡的熱量、1 公克鈣、半公克磷，以及約 100 公克蛋白質。

為了在任務期間保有一些變化，餐點內容以四天為一個循環。餐點包裝上標示著 A、B、C，分別代表早餐、午餐和晚餐。上面也有不同顏色的魔鬼氈，用來標示哪一份餐屬於哪一名太空人：紅色是指揮官，白色是指揮艙駕駛，藍色是登月艙駕駛。

食品技師為阿波羅 11 號任務的菜單增加了幾樣東西：糖果棒和果凍； 火腿罐頭、雞肉罐頭和鮪魚沙拉；切達起司抹醬；法蘭克福香腸。他們也引入一種「配膳系統」，讓太空人依據喜好和胃口選擇自己的食物，例如甜點可以選擇香蕉布丁、白脫糖布丁或蘋果醬，還有多種口味的糖果。還有飲料、早餐食品，以及燉雞肉和慢烤牛肉等主菜。

太空人即將飛行之前，在前往發射臺的路上，每個人會把三明治、培根肉塊和一個可復水飲料放入太空衣的一個口袋中，預防他們在任務的最初八小時中肚子餓。

在太空中，食物不自覺會吃的少

許多太空食物沒被吃掉，而在任務之後回到地球，加入史密森尼學會將近 500 件太空食品的收藏中，告訴我們太空人在任務期間的餐飲偏好。escortcity.ch geneve escorte annonces

「剩下的很多是速食早餐。」史密森尼學會的策展人珍妮佛・萊維塞爾（Jennifer Levasseur） 評估這些收藏時，提出她的觀察，「我覺得這些太空人可能是那種一早起來只喝咖啡的人。」收藏中數量較少的食品，或許也是比較可能被吃掉的食品， 代表太空人最喜歡吃的東西：熱狗、義大利麵和肉丸，以及開胃鮮蝦。

一般而言，太空人在太空中傾向吃得比在家裡少。阿波羅 12 號和 13 號任務的太空人在任務期間只吃掉分配食物的 30% 到 40%，但並不是因為他們失去胃口。

無重力環境導致身體裡的液體循環比較平均，這讓太空人的味覺變得較遲鈍，也因而口味較重的食物比較受到歡迎。再者，糞便存放設備使用起來並不方便，如果能減少使用需求，也不是壞事。

所以，雖然從阿波羅太空船看到的景色或許既壯麗又特殊，但根據太空人的看法，上面的咖啡並沒有特別好喝。

本文摘自 大石國際文化 《重返阿波羅》

解決問題是她最喜歡的事情

瑪格麗特・漢彌爾頓（Margaret Hamilton） 開始寫電腦程式時，還沒有「軟體工程師」一詞。漢彌爾頓 1936 年出生於美國印第安納州，1958 年畢業於厄爾罕學院（Earlham College），兩年後獲得在麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）寫電腦程式的工作。

在 MIT，漢彌爾頓開啟了後來延續整個職業生涯的興趣：修正程式設計錯誤。在程式設計初萌芽的時代，她和同儕從實作中學習工程和故障排除，用充滿創意的方法面對自己的工作。有時候他們可以透過大型電腦製造出來的背景噪音，分辨自己的軟體是否順暢運作。

1963 年，漢彌爾頓正準備進入布倫戴斯大學（Brandeis University）的研究所攻讀抽象數學的學位時，MIT 取得 NASA 的合約，為阿波羅太空船設計導引和導航電腦（AGC）。

漢彌爾頓不想錯過這個機會， 聯繫計畫辦公室，分別和兩名計畫主持人進行面談。兩位主持人都當場決定雇用她，她建議兩人應該丟銅板決定她要去誰的團隊工作。

接下來幾年之內，漢彌爾頓成為 MIT 儀控實驗室（MIT Instrumentation Lab）軟體工程組（Software EngineeringDivision）的主持人，也是 AGC 背後的主要設計者之一。

為阿波羅導引電腦設計軟體時，漢彌爾頓和她的團隊必須創造新的軟體系統，以引導和控制阿波羅任務太空船前進月球。

「除了作為開路先鋒，別無選擇……找不到問題的答案時，我們只能創造答案。」

她後來回顧。

團隊中充滿「天不怕地不怕的二十多歲年輕人」，他們有自由（也有壓力）來對付太空導航的挑戰。使用漢彌爾頓軟體的阿波羅計畫和太空實驗室（Skylab）計畫期間，從沒發生過嚴重故障。

然而漢彌爾頓的女兒蘿倫（Lauren）卻預示了一次最嚴重的錯誤。那時四歲的蘿倫在漢彌爾頓的辦公室玩著顯示器和鍵盤（DSKY），在模擬器的飛行途中，輸入了發射前使用的程式 P01，導致嚴重錯誤。

漢彌爾頓因此建議加入一行程式碼，以避免這種情況發生。但 NASA 告訴她，沒有任何太空人會犯下這種錯誤。

在阿波羅 8 號任務時，吉姆・洛維爾意外刪除了指揮和服務艙的導航數據，導致與漢彌爾頓女兒所造成的相同狀況。幸好電腦的設計很穩健，漢彌爾頓和她的團隊才能夠找到方法，在幾小時內從地面修正問題， 見證任務圓滿完成。

漢米爾頓後來為 NASA 發展太空梭使用的軟體。她也成立了兩間公司，專門設計可靠的軟體，並因為她為阿波羅計畫做出的貢獻，在 2016 年獲頒美國總統自由勳章（Presidential Medal of Freedom）。

她一直是工作場域裡少數的女性之一，在締造阿波羅計畫的成功、幫助推動電腦在外太空的運算上，她都是一位卓越的人物。

本文摘自 大石國際文化 《重返阿波羅》