HOW TO 一直玩一直玩還能智慧省電？@宜蘭傳藝園區

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。

本文轉載自顯微觀點

「從高中生開始到大學生，甚至到研究所碩士、博士，其實你只要做一件事－叫做找到有興趣的問題」。

從藍光 LED 起始的奈米研究之旅

中研院應用科學研究中心副研究員張允崇近年致力於光電推廣教育工作，不僅作為國際光電工程學會 SPIE 的光學推廣委員會成員，還擔任中華民國光電學會教育委員會主任委員，並已連續舉辦兩屆光電學會光電教具創作競賽。

張允崇自台灣大學物理系畢業後前往北卡羅萊納州立大學攻讀電機博士。時值台灣開始發展半導體的年代，加上他對光學和雷射很有興趣，因此選擇光電半導體作為研究領域，其中又以藍光 LED 為其研究重點。

LED（發光二極體，light-emitting diode）是一種半導體光源。當電流通過這個半導體電子元件時，電子與電洞複合以光子的形式釋放能量，而發出單色光。光線的波長、顏色則和採用的半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關。

一開始以磷化鎵砷（GaAsP）為材料的 LED 僅能發出紅光且效率低，因此僅作為指示燈使用。而後雖出現可發出綠光的 LED，但一直缺少藍光 LED，就無法以光的三原色－藍、綠、紅，來任意組成不同的顏色，尤其是可供照明的白光。

直到 1993 年，日本日亞化學（Nichia Corporation）的中村修二成功把鎂摻入，成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）開發具有商業應用價值的藍光發光二極體。

有了藍光 LED 後，白光 LED 也隨即問世。因此 2014 年諾貝爾物理學獎也以「發明高亮度藍色發光二極體，帶來了節能明亮的白色光源」的理由，將獎項頒給中村修二，以及製成高品質 GaN 並首次以 pn 結構完成藍色 LED 的日本科學家赤崎勇與天野浩。

2001 年博士學位並於 2003 年返台至成大任教的張允崇說，當時藍光 LED 領域正好當紅，因此博士班期間以及回台任教之初，便以此為研究材料進行研究。

但很快地，藍光 LED 材料愈來愈便宜且效率也已提升很多，相關應用和研究到達瓶頸，要再突破已非易事。相關領域的學者不是已經放棄，就是必須做出變化。張允崇亦是如此。

台灣從 2003 年開始，投入新台幣約 250 億元執行「奈米國家型科技計畫」，推動奈米科技發展。因此，張允崇也將研究視角轉向開發各種不同奈米製程，其中一個便是奈米球鏡微影術（Nanospherical-Lens Lithography，NLL）。

奈米球鏡微影術是使用奈米球將入射的紫外光聚焦於下方光阻，藉以製作出大面積的金屬圓盤陣列，這樣不僅可以大面積生產，使用的設備也是產業界既有生產設備，成本相對低廉。

「到 2018 年，我們幾乎可以宣稱我們是全世界做奈米球做厲害的人」。但張允崇表示，儘管奈米球鏡顯微影術可以大面積、有效率地提升製程產量，但在學術發表上外界期望看到「新功能」，加上後來到中研院任職，資源較多，便不再限制於奈米球上，而是開發各種奈米製程和新功能。

直觀研究取代考試教學

「我可以講 30 分鐘的研究，沒有任何一個公式在投影片裡」，張允崇笑稱因為自己的數學不太好，所以研究的題目「數學不會太多」。

他以奈米金屬為例，儘管背後有很多數學推導，但在他們實驗室的研究開發中，便僅以「奈米顆粒對環境折射率非常靈敏」的直覺，進一步對其作為感測器進行研究。

但與其說是「受限於數學不好」，不如說張允崇更看重科學直覺和實作，這不僅表現在他的研究，也體現在他的教學和近年致力推廣的光電教具創作競賽中。

張允崇提到之所以投入光電教具創作競賽，起因於他參與國際光電工程學會（International Society for Optics and Photonics, SPIE）的年會時，擔任其中一個類似教具競賽的外展活動評審，氣氛不錯。

加上當時張允崇在台大物理系兼職，教授光電半導體課程。「考試學到的東西很有限」，比起考試他更希望學生能從做中學，因此便參考年會外展活動的概念，讓學生執行期末計畫。

「當時想法只是覺得課堂裡好的作品可以到國際參賽，就像區域競賽比得好，比全國再比國際」。張允崇後來遇到一些志同道合的老師，才將全國競賽籌備起來。

不過，競賽今年邁入第三屆之際，回顧這一路走來，張允崇認為，競賽帶來的收穫、好處和原本初衷略有不同。而最大的好處在於讓學生「提早認識實驗室」。

他表示，許多學生到大三、大四要做專題進實驗室時，早已聽從學長姐和外界的聲音「立志進台積電」。

「現在多學生大三大四就直接聽學長姐說哪一個領域很好，可以去台積電啊。如果你研究所找了老師就是做這個領域，你就被他綁住了，博士班再讀（其他領域）好了，其實也跳不太開了。」張允崇說，不只選錯路不易回頭，進而出現「學用落差」外，學術熱忱也不易被點燃。

但藉由教具競賽，讓大一、大二的學生及早進實驗室「東摸摸、西摸摸」。「大一暑假找一個老師，不喜歡；大二可以換一個、大三再換一個，老師沒有再看到你也不會覺得怎麼樣」，張允崇表示，就算學生不用跟著老師的計畫題目，教具做不出來也沒關係，單純和老師討論教具專題也能略知實驗室的研究內容，進而評估是否對該領域有興趣。

張允崇說，考試答案都是已知的，學生也只是努力搞清楚老師「要考什麼」。但工作、研究卻不是如此，答案都是未知的，因此培養解決問題的能力，包含問對人找到解決方法，更為重要。

而要培養解決問題能力，最快方式就是進實驗室直接動手做。由於實驗室基礎能力需要的是各種能力的展現，不僅限於書本與公式；例如自動控制需要電腦程式能力、有些人手巧適合精工，甚至 3D 繪圖等。學生及早進入實驗室，就算「自認不適合讀書」，也能從中發現自己的專長和定位。

從半導體到奈米光學，再到生物感測，張允崇的研究領域很廣，「奈米領域所有問題都有興趣」。他笑稱，「優點是領域很廣，但缺點是『你問我做什麼題目，我講不出來』」。但只要找到有興趣的東西，就可以做好一件事，「因為你會願意花很多時間」。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

今天我們來聊聊一種超酷的通信技術——用 LED 燈來傳遞訊息。

你可能會疑惑，LED 燈怎麼能傳數據？其實，這背後的原理並不難理解。無線電波是電磁波的一種，而 LED 發出的「可見光」也是電磁波的一部分，只是頻率更高。既然都是電磁波，那用光來通信似乎也很合理。

光通信並不是新鮮事。早在周朝，人們就用烽火台來傳遞戰情；我們熟悉的發明家貝爾也發明過光電話（Photophone），且 1880 年 4 月 1 日，貝爾還成功地用光電話在 200 多公尺的距離上實現了通信。

然後？就沒有然後了，光通信技術沉寂了一百多年，直到太空通信中找到了新的用途。

可見光通訊帶來了通信技術的全新篇章。當然，我們也要提到，像遙控器和一些太空通信其實用的是紅外線，但這些都和可見光屬於同一大類——電磁波通信。所以，嚴格來說，可見光通訊也是電磁波通信的一部分。

未來的世界，燈光不僅僅是照明工具，更是我們連接信息世界的橋樑。

更多、更完整的內容，歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片，並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊！

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本文由 宜蘭縣政府環境保護局 委託，泛科學企劃執行

將傳統紅磚街屋、廟宇完整復原，重現台灣過去生活精髓的宜蘭傳藝園區（以下簡稱傳藝園區），腹地廣大，讓遊客能盡情來場穿越之旅。但你是否曾想過，占地 24 公頃的園區，光是準時開關電源空調就是個大挑戰，而在講究節能減碳的今日，又該怎麼做才能一直玩一直玩還能智慧省電呢？

加入「能源管理系統」智慧省電

過去對於電源的管理，只能以人工巡園的方式，一個個手動開關，耗時耗力。為了改善效率及節能，負責營運傳藝園區的全聯善美的文化藝術基金會，自 2017 年起陸續規畫更新。如今傳藝園區完成「能源管理系統」（Energy Management System, EMS）的建置，將電燈、冷氣等電力設備全都連上光纖網路，再傳送到中央管理系統，讓工作人員只需在辦公室內遠端遙控，不但大幅減少作業時間，更能有效節電，達到節能減碳的效果。

「能源管理系統」其實就像是管理用電的自動記帳秘書，基礎功能就是分類電力的流向，協助用戶管理能源。除了用在占地廣大、用電量大的各種場地，其實一般住宅也能導入類似的系統，像是智慧電表，讓使用者可以隨時掌控自家的用電情況。了解用電情況後，要如何才能達到節電以及多數人最在意的省錢目的呢？讓我們繼續看下去吧！

即時記錄用電資訊，節能計較到分分秒秒

對於多數人來說，通常要等到電費單出現，才能知道當月電費的支出總金額。如果能引入「能源管理系統」，任何一台電器每分鐘支出的電力都會被詳實記錄。

以傳藝園區舉例，導入「能源管理系統」後，所有電錶數據會自動匯入並做成圖表及資訊報表，方便工作人員快速找出異常耗能，分分秒秒都能計較；此外，內建的警報系統也可讓園區用電量超過警戒值的時候發出提醒。

自 106年以來，根據傳藝園區的統計指出，使用能源管理系統後，光是冷氣的部分，一年減少運轉的時數約180小時，平均一年可省下將近 10萬度的電量，一年節省了 30.9萬元。

其實過去也有類似例子，2011年國立中央大學與國外廠商合作，透過系統自動控制整棟行政大樓的照明及空調設備，省掉效能達到 40%，相當於一年省了 12萬度電，33 萬元的電費。

空調照明即時調整，環境舒適又省電

如同開頭所提，過去透過人工巡園的方式開關電源，一天必須耗掉近 2 小時，且要是遇到緊急狀況，例如雷陣雨突襲導致天色瞬間轉暗，園區無法及時開燈。如今導入「能源管理系統」後，能透過排程與遠端遙控兩種方式來處理，工作人員不用親臨現場就能完全掌握電源開關，方便又及時。

目前傳藝園區就透過該套系統，也算出最省電又有效的「黃金時間」，排定開園前 12 分鐘開空調，讓遊客一進場就感到舒適，也不會浪費電。

抓出耗電小壞蛋！汰換老舊器材

透過能源管理系統的資訊報表，工作人員能一眼就看出用電狀況，把特別耗電的小壞蛋抓出來，進而將老舊電器更新，就可省下許多不必要的電費。

舉例來說，單單將傳統燈泡更換為省電燈泡，其實就能省下不少電，本次傳藝園區除了安裝能源管理系統，也一併更新了許多過去老舊的燈泡、空調設備等。而 2015 年基隆市將 8成以上的水銀路燈都改為 LED燈泡，以七堵區換裝 4818 盞 LED 路燈後，一年的節電效益可達 719.9萬度電。

新竹市 2015 年也從集合式住宅公設的照明系統更新下手，配合用電行為改變，在住宅部門達到了 2.11%的高節電率。台中市同樣也將公有停車場、公有市場等場所的燈具改為 LED燈，一年大幅節省 14萬度電。

透過第一期的智慧省電系統導入，傳藝園區除了提供遊客最舒適的傳統文化體驗，也達到節能減碳目的。而遊客最能直接感受的好康，就是能準時享有被譽為「最浪漫地標」的魚耀隧道美景，這個長達 65公尺的燈廊在夜幕低垂時亮起，魚形倒映在湖面相當夢幻，是近期最夯的 IG打卡景點。

未來也會開啟第二與第三期的能管系統建置，使整個園區的能源管控都智慧化，讓遊客可以一直玩一直玩，還能超省電，享受科技與傳統合作無間。

本文由 宜蘭縣政府環境保護局 委託，泛科學企劃執行