方向性力回饋的觸控! Tactile Display With Directional Force Feedback

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。

• 【科科愛看書】我們是如何認識世界的呢？除了眼睛、鼻子、耳朵，我們居然也可以用皮膚來「看」或「聽」！在觸覺的力量下，絨毛毯讓你更安心、熱奶茶讓你變溫暖，這到底是什麼神奇魔法！？踏入《觸覺不思議》的世界，從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，重新為你定義感官，讓你大開皮膚界（？）

觸感好難捉摸？看看科學怎麼說

到目前為止，我們都沒有明確定義何謂觸感，在此先為大家進行概念的整理。一般而言，皮膚感覺即稱「觸覺」；相對於此，本書所謂的「觸感」，則偏向指稱經由觸摸而產生的主觀體驗。

老實說，在這個定義下的「觸感」，是科學難以駕馭的對象。重視客觀性的科學，並不善於處理「我所感受到的感覺」這種無法具體呈現的主觀感受。科學處理的是皮膚、神經、大腦、語言表徵、行為等，所有人都能觀察到的外在世界。雖然將主觀量化的心理學法則也日益發達，但主觀的體驗與客觀的科學之間，還是存在著一道無法跨越的藩籬。

科學的觸手之所以不容易伸進觸感的領域，除了因為觸感是主觀的感受，另一項理由就是因為我們所感受到的觸感實在太多樣了。

觸感的生成並非僅來自皮膚的感覺（觸覺），其他的五感（視覺、聽覺、嗅覺、味覺）或甚至語言、記憶等高階認知功能，都會和觸覺結合，生成獨一無二的觸感印象。

關於這個部分，後續會按部就班地說明，不過在那之前，我們先來看看本文要介紹的──觸感形成的根源「觸覺」的運作機制吧。

即使是單細胞生物的草履蟲，都擁有感知細胞膜受到接觸、溫度變化或化學物質等廣義的觸覺。透過觸覺這種生物史上最早出現的感覺之運作，我們將帶領各位一窺人類認識外界的、這令人驚嘆的系統一隅。

體內體外，感覺其實不太一樣

相較於其他五感，觸覺有幾項獨有的特徵，其中之一是獲得感覺的部位不像眼睛或耳朵，而是分布於全身上下。皮膚的總面積為 1.6 至 1.8 平方公尺（約一張榻榻米大），重量約為三公斤。全身上下的表皮不僅是人體最大器官，更是感受觸覺的界面。

除了皮膚感覺，人類還有另外二種以全身接收的感覺。一種是「胃痛」、「肚子餓」等感受內臟狀態的「內臟感覺」，另一種是感受肌肉、肌腱、關節位置或運動的「本體感覺（深部感覺）」。

由於本體感覺與皮膚感覺相互關聯，因此我們平常不太能夠區別這二種感覺，大多體驗為同一種感覺。也因為如此，這二種感覺也被合稱為「體感覺」。

問題來了，如果視覺感受的是光，聽覺感受的是聲音，那麼觸覺感受的是什麼呢？

用最簡單的概念來說，就是皮膚的變形。說得更明確一點，就是位於皮膚底下末梢神經前端的觸覺感受器，會感受到由壓力或振動所造成的細胞變形。

薄薄一層皮，竟藏著五花八門的觸覺感受器

身體的觸覺感受器依功能不同，可分成數種類型。

最原始的觸覺感受器是「游離神經末梢」，由感覺神經分支而成，廣泛分布在皮膚內。游離神經末梢能夠感受到痛覺、溫度或癢，但也會對外力接觸造成的壓力有反應。尤其是纖細的感覺神經 C 纖維對熱、壓力及化學物質都會有反應，因此又稱「多類型感受器」。這種神經負責的是痛、冷，還有舒適等感覺，目前可知的是，當我們用軟毛刷子緩緩刷過毛髮生長部位的皮膚（亦稱「有毛部」）時，C 纖維便會有所回應。

在游離神經末梢當中，也有一種類型會纏繞著毛根。毛會發揮槓桿般的作用，當有外力接觸到毛的尖端，毛根部的神經就會敏銳地察覺到受力。老鼠的全身幾乎被毛所覆蓋，牠們的毛根部就分布著二種游離神經末梢，和一種較粗的感覺神經，因此可以第一時間察覺任何風吹草動。

其次介紹更高階的觸覺感受器，是一種由粗的感覺神經所傳導，並附著在該神經前端的特殊構造（又稱「機械性受器」）。目前為止已經發現四種類型的感受器，這四種類型有何差異呢？就是主要負責的振動頻率不同。

舉例而言，負責感受形狀凹凸不平、表面的邊緣，或者受到輕輕按壓的壓覺的是「默克細胞」。感覺像拍手這種速度的振動，或是「咻」的滑過去的光滑感，是由「梅斯納氏小體」負責回應。這二種類型又以手指的分布密度最高。

位於皮膚深層的「巴齊尼氏小體」則對更細微的振動，例如砂紙的粗糙感或芒草穗子的顆粒感，會產生敏銳的反應。最後一種「魯斐尼氏末梢」據說對皮膚的牽張有反應，但關於其解剖學上的理解或如何透過神經傳導觸覺刺激的機制，目前仍所知甚少。

如果光憑原始的感覺神經（游離神經末梢），即使能夠知道自己正在被觸摸，也無法進一步辨別接觸到的東西是什麼形態，不過有了這四種特別的觸覺感受器，即可鎖定對象的特徵，因此據推測這些應該是在生物演化史上後期才出現的觸覺感受器。

想觸摸世界，只有一種感受器可不夠

我（仲谷）曾在 2014 年與哥倫比亞大學的馬場欣哉博士、艾倫．蘭普金（Ellen A. Lumpkin）博士等人，共同投入一項探討細胞構造的研究，並證實被外力輕壓的訊息會透過神經傳導¹。這件事早在 1875 年，就已由德籍解剖學家默克（Friedrich Sigmund Merkel）提出假說，但直到約一百四十年後，才首度獲得科學證實。

前面談論的都是有關皮膚可以察覺到細胞的變形（壓力、振動或滑動）一事，但皮膚底下還有其他可以感受到溫度（冷與熱）的感覺神經。此外，皮膚也有傳導痛、癢的感覺神經，不過我們認為這二種與構成可以感受物體材質的「觸感」的神經是不同的類型，因此在本書所占的篇幅較少。

感受細胞變形的感受器，與感受溫度的感受器──觸覺感受器大致上可以分成這二種。擁有這二種感受器，我們才能感覺到橘子皮的濕潤與顆粒感，或是像絲綢一般涼爽而光滑的感覺，仔細想想，不覺得很奇妙嗎？這種奇妙不僅來自皮膚的感受器，更結合了觸摸的動作，或是觸覺以外的五感等各種要素。

接下來，就一起探索全身上下的觸覺感受器與您自己所感受到的「感覺」之間，究竟存在著什麼奧祕吧。

參考資料：

1. Maksimovics S, Nakatani M, Baba Y, Nelson AM, Marshall KL, Wellnitz SA, Firozi P, Woo SH, Ranade S, Patapoutian A, Lumpkin EA, Epidermal Merkel cells are mechanosensory cells that tune mammalian touch receptors. Nature, 509(7502):617-21, 2014

本文摘自《觸覺不思議 : 從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，探索你從不知道的觸覺世界》，臉譜出版。

• 【科科愛看書】我們是如何認識世界的呢？除了眼睛、鼻子、耳朵，我們居然也可以用皮膚來「看」或「聽」！在觸覺的力量下，絨毛毯讓你更安心、熱奶茶讓你變溫暖，這到底是什麼神奇魔法！？踏入《觸覺不思議》的世界，從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，重新為你定義感官，讓你大開皮膚界（？）

一杯熱咖啡就能影響你對人的判斷？

2010 年，一篇刊載在美國《科學》（Science）期刊上的論文，對追求「觸感」的我們帶來衝擊。耶魯大學的約翰．巴奇（John Bargh）博士的研究團隊證實，我們的思考會受到觸感影響¹。雖然我們相信自己是根據自己的意志判斷眼前的事物，但巴奇博士等人卻提出違反這項直覺的實驗結果。

他們在實驗中讓受試者看陌生人的肖像照並評斷其人格。受試者已事先被分為二組，一組供應的是熱咖啡，另一組則供應冰咖啡。

好了，你認為結果如何呢？事先拿到熱咖啡的人比拿到冰咖啡的人，有更高的機率判斷照片裡的人是「溫暖的人」。因為手心接觸到的物體溫度，影響到他們對照片中人物的人格判斷。

巴奇博士的研究團隊又進一步設計出另一項有關溫度感覺與信賴關係的實驗²。他們在這項實驗中讓受試者進行投資遊戲，並在受試者左手的掌心上放置冰冷的物品或溫熱的物品。結果受試者在受到冰冷的溫度刺激情況下，投資額會變少。這也就是說，手一冷，心似乎也跟著變冷似地，對他人的信任度便隨之下降。

軟綿綿的沙發，融化你的心房

影響判斷的不只是溫度而已。根據某項實驗³ 顯示，請對方入座展開交涉時，讓對方坐柔軟的沙發比坐硬邦邦的椅子，更容易使對方答應我們的要求。看來柔軟的觸感似乎能讓對方的態度「軟化」。

還有另一項實驗³ 是讓實驗參加者扮演面試官的角色，其中用來夾履歷表的板夾，又分成重的與輕的二種。結果拿到重板夾的那一組，傾向於把求職者判斷為更重要的人物。

身體承受的溫暖、柔軟、重量等觸感，並不是隨時隨地都會引起注意，然而我們似乎還是會在不知不覺間，在觸感的刺激下作出決策。這個所謂具身認知科學的研究領域，近年正如火如荼的發展中。

為什麼觸感會影響判斷呢？有這麼一項假說：以「寒冷」為例，當人體受到寒冷的刺激時，主掌價值判斷的大腦扁桃體會做出回應，而由於「寒冷」有可能對生命造成威脅，因此大腦會判斷這是危險訊號，進而對於寒冷刺激物產生躲避的行動。據推測可能就是這個原因，造成「不信任對方」的結果。

人與人相處，其實離不開觸覺

在此稍微岔個題， 咖啡的「 溫暖」與評斷人格時的「溫暖」，兩者使用的雖然是相同的形容詞，但後者是用來表達抽象概念的比喻手法（隱喻）。沙發的「柔軟」與人的態度的「柔軟」、板夾的「重量」與人物的「重要性」（使用的都是「重」這個字）⋯⋯諸如此類，在我們用來表示人際關係的用字遣詞中，隨處可見觸感的蹤跡。

再來找找看其他日常生活中頻繁使用卻不自覺的觸感比喻吧。「乾」、「滑」、「輕」等觸感，聽起來也像是在表達某些類型的人格。米蘭．昆德拉（Milan Kundera）的小說《生命中不能承受之輕》，則是以「重量」的觸感進行轉喻的例子。我們藉由身體所承受的觸感，理解自己與他人之間的關係，而這同時也反應在語言表徵裡。

參考文獻：

1. Ackerman Jm, Nocera CC, Bargh JA, Incidental haptic sensations influence social judgments and decisions. Science, 328(5986):1712-5, 2010
2. Kang Y, Williams LE, Clark MS, Gray JR, Bargh JA, Physical temperature effects on trust behavior: the role of insula. Soc Cogn Affect Neurosci, 6(4):507-15, 2011
3. Ackerman JM, 2010 et al. 2010

本文摘自《觸覺不思議 : 從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，探索你從不知道的觸覺世界》，臉譜出版。