從 Game Boy 到大螢幕 ，童年電玩螢幕的黑科技你知道多少？

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。

「教授」趴在辦公室的地板上，百無聊賴。材料科學家、互動設計師、工匠與工藝研究人員，整日於麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab），忙進忙出，沒空搭理。作為論文第一作者Jack Forman的愛犬，身兼創作謬思，「教授」可能從沒想過，自己終將獲邀貢獻學術，並且榮登致謝名單。^[1]

FibeRobo

「教授」備受冷落的這段時日，研究團隊一直忙於開發織物纖維：穿戴手套、實驗袍和護目鏡，隔著通風櫃，以液晶元（mesogen）為主要原料，適量加入能感光、增加黏性、降低驅動溫度，以及延長有效期限等的各種化學物質。然後，將調製好的液晶彈性體（liquid crystal elastomer；LCE），灌進精心設計的機器。利用液晶分子在常溫下整齊排列，遇熱就亂了陣腳，導致收縮的特性，生產出來的FibeRobo纖維，長度能為溫度所控制。製作步驟及機器各部位的功能，大致如下：^[1]

1. 可調控溫度的針筒幫浦，將原料加溫至約莫34°C，降低其黏性後，推擠出來。（圖片：Step 1的上半段。）^[1]
2. 用紫外線照射，使纖維稍微硬化，避免蜷曲。（圖片：Step 1的下半段。）機器外圍的黃色壓克力板，能隔絕99%的紫外線，保護使用者。透過調光器，則可依需求適度調整光線強度。避免光線太弱，使纖維斷掉；或者是光線太強，而結塊並堵塞針筒的開口。^[1]
3. 鑷子夾住纖維兩端，把它拉得又直又細，再沾點礦物油，比較容易舒展。（圖片：Step 2。）^[1]
4. 經過滑輪的纖維，於緊拉的張力下，再照一次紫外線，加強硬化。（圖片：Step 3。）滑輪轉動的速度愈快，纖維就愈細。^[1]
5. 纖維被捲到機器最頂端的線軸上。（圖片：Step 4。）^[1]
6. 從線軸上取下纖維，撒點滑石粉，降低摩擦力，方便以後用機器紡織。等布料完成，再以溫熱的肥皂水，洗去滑石粉。^[1]

通電與收縮

FibeRobo纖維搭配別種材料，可以創造不同的效果。然而傳統多股對絞的作法，會扭曲FibeRobo，使它收縮的特質變得難以預測。於是，研究團隊改將FibeRobo置於中央，在外面纏繞其他材料。比方說，拿以蠶絲包覆銅芯的利茲線（litz wire）來捆它。銅的電阻低，升溫快，能迅速使FibeRobo遇熱收縮。FibeRobo與利茲線合體後，接上2.5安培、8.5伏特的電，8秒即縮短37%；斷電30秒，則又恢復原狀。不過，這種混合纖維傾向堆成一團，不適用於針織、紡織與刺繡。研究團隊建議，最好分開製作，再搭配使用。^[1]

另外，他們也嘗試用導電塗料浸染纖維。如同調製LCE原料時，身穿防護衣著，隔著通風櫃，先將FibeRobo泡入含有重量百分濃度7%碳黑（carbon black）的甲苯（toluene）溶液裡。8小時後取出，置於80°C的烤箱中，烘烤1個鐘頭。如此一來，FibeRobo纖維就能通電，其電阻會跟著長度的伸縮變化。拉長變細的時候，電阻較高。^[1]

成品展示

研究團隊用FibeRobo纖維跟其他材料，做了些模型和成品，來展示實際用途。以下是其中幾個例子：^[1]

• FibeRoBra運動胸罩：當體溫隨運動逐漸上升，FibeRoBra便開始收縮，給予乳房無鋼圈、零負擔的支持。體溫下降後，布料又回到放鬆的狀態。^[1]

• FibeRoGlow燈具：開燈後升高的溫度，令燈罩緩緩上捲，彷彿打開花瓣。全程費時，大約5分鐘。^[1]

• ShadeRobo窗簾：窗簾不該因為陽光強烈，氣溫上升，就自動捲起來。因此，驅動此窗簾所需的溫度，被設計得比較高。布料只有在上面的利茲線通電時，才會有反應。4伏特、2.5安培的電，得花2分鐘，才能將這個5 x 5公分的小窗簾捲好。冷卻1分鐘後，又會完全攤平。^[1]

• FurbeRobo遙控狗背心：論文的第一作者Jack Forman，為他的愛犬「教授」，織了一件小背心。本文開頭的那張照片，即是牠的定裝照。如果寵物在辦公室悲鳴，於實驗室忙碌的主人，就可以透過藍芽，啟動背心上的控制器。此時，連接12伏特、2.5安培電池的利茲線，會通電並發熱，造成驅動溫度不高的布料，輕微收縮。就像給狗溫暖的擁抱，減輕牠的分離焦慮（separation anxiety）。不過，基於動物實驗倫理等因素，後來示範布料收縮的照片，都是穿在布偶上拍攝，「教授」再次被晾在一旁。^[1]

成本與環保

2023年麻省理工學院的團隊，在美國計算機協會（Association of Computing Machinery）主辦的使用者介面軟體與技術（User Interface Software and Technology）研討會上，發表了這篇介紹FibeRobo的論文。研究團隊認為，他們的成果具有商業化的潛力。畢竟跟雷同的技術比起來，製作FibeRobo的成本相對低廉：機器的針筒幫浦約美金250元；裝滿5、10、20或30毫升原料的針筒，每個至多4元；而生產直徑0.5mm的纖維，每公尺約0.2元。^[1]單人操作單機，一天或一個下午就能產出750公尺的纖維；^{[1, 2]}亦有報導指稱是每日1公里。^{[3, 4]}不過，FibeRobo不可回收，儘管某些新興LCE纖維可生物分解，有時搭配的導電材質，仍是廢料處理的阻礙。因此，在這方面還有改善的空間。^[1]

1. Forman J, Afsar OK, Nicita S, et al. (2023) ‘FibeRobo: Fabricating 4D Fiber Interfaces by Continuous Drawing of Temperature Tunable Liquid Crystal Elastomers’. UIST ’23: Proceedings of the 36th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, 9, pp. 1 – 17.
2. MIT Media Lab. (27 OCT 2023) ‘FibeRobo: Powerful Body-Temperature Morphing Fibers’. YouTube.
3. Paul A. (26 OCT 2023) ‘This liquid crystal fabric is ‘smart’ enough to adapt to the weather’. Popular Science.
4. Global Update. (29 OCT 2023) ‘New Liquid Crystal Elastomer Fiber Makes Shape Shifting Fabrics a Reality – FibeRobo’. YouTube.

電競顯示器五花八門，但你了解廠商主打 1ms 反應時間的意思嗎？ 而 2022 年推出的 VESA ClearMR 認證，是如何重新定義動態畫面的模糊比例，又有什麼測試重點呢？

本文轉載自宜特小學堂〈VESA 最新推出 ClearMR 認證 重新定義電競螢幕動態顯示規格〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

近十年全球電競產業可謂炙手可熱，吸引了大量的關注和投資。根據數據分析公司 Newzoo 的報告顯示，2022 年全球電競市場規模就已突破了 10 億美元的大關。而該公司也預測，到了 2025 年全球每 11 個人中，就有1人將成為電競賽事的觀眾，凸顯了電競產業的快速增長和受眾擴大，將帶來更多商機和成長潛力。

而遊戲勝負的關鍵，除了依靠選手本身的反應力，設備優劣也是不可或缺的條件之一，尤其電競中極度仰賴的「畫面」的反應時間，輸贏往往就取決在短短幾毫秒的動態表現。當消費者在挑選顯示器時，會看到許多廠商都標榜「1ms 反應時間」，但是細看規格會發現，有些標示 1ms GtG，有些標示 1ms MPRT，由於業界對於影像動態模糊的顯示規格不一，讓消費者在購買時很容易產生混淆。

有鑒於此，2022年，視訊電子標準協會（Video Electronics Standards Association，簡稱VESA）針對螢幕在動態顯示時的表現進行標準化，提出 ClearMR （Clear Motion Ratio Compliance Test Specification）認證，清楚地界定「螢幕在顯示快速移動影像時，清晰和模糊畫素的比例」，這是注重顯示器動態表現的電競選手與玩家們會關注的焦點。

那麼，兩種主流規格 GtG 和 MPRT 到底差在哪裡？ClearMR 又是怎麼定義動態畫面的模糊比例？它與市面上已有的其他規格有何不同？本文章將先介紹目前主流的兩種規格—MPRT 和 GtG，再進一步介紹最新 VESA ClearMR 測試規範的重點。

一、 GTG（灰階對灰階反應時間），僅針對灰階，無法定義畫面的模糊

LCD 液晶顯示器（Liquid-Crystal Display）就像拼圖一樣，是由大量像素點拼湊成一個完整的畫面，每個像素點中 RGB 三原色比例，決定了呈現的顏色。例如，紅色的比例越高就越紅，藍色比例提高、紅色下降則會變紫，如果想展現出亮紅或暗紅的差異，則是根據電壓大小來改變亮度。

我們可以想像當白光通過紅色的亮度越高，就會顯示出亮紅色，反之光源越暗，就會呈現出暗紅色。如果畫面只有最暗跟最亮就會變得很極端，所以現在的顯示器，就是透過從最暗到最亮共有256個灰階的變化，呈現出各種精緻的色彩。

前面講了那麼多，我們終於要講到正題的 GtG（Gray to Gray，灰階對灰階的反應時間），一般 LCD 液晶顯示器所標示的反應時間，是指液晶全開/全關所需的時間，但因液晶螢幕呈現的內容，其實就是不同灰階之間的轉換跟變化。最亮和最暗兩者中間的層次愈多，就愈能夠呈現出愈細膩的畫面。當轉換的時間越長畫面就容易產生殘影，相反的，轉換時間越短畫面就越乾淨，遊戲體驗也就越好。

然而，GtG 的數值只是針對不同灰階之間的反應時間，各家廠商的測試標準與定義也有些不同，GtG 也無法去定義畫面的模糊。那，什麼又是 MPRT 呢？

二、 用 MPRT（動態畫面反應時間）處理畫面殘影，卻導致螢幕變暗

由於 LCD 液晶顯示器的特性與人眼視覺暫留的關係，影像在移動時，使用者會看到殘影或拖影的畫面模糊現象，我們以下圖來舉例，當畫面從綠色切到藍色，中間的過度色在人眼的辨識上就會產生殘影，進而造成模糊。

為了解決此問題，於是透過開關螢幕的背光或是插入黑畫面，以縮減每幀畫面的顯示時間，來降低視覺暫留，讓畫面快速移動時較為清晰，暫且解決模糊問題，這個技術就被稱為 ULMB（Ultra Low Motion Blur，超低運動模糊技術）。在剛才舉例中，我們讓綠色切到藍色中間變成了黑畫面，快速的切換可以讓畫面更為清晰。而在 ClearMR 問世前，業界最常用 MPRT（Motion Picture Response Time，動態畫面反應時間）的數值來表示從 A 畫面切到 B 畫面的反應速度。

但是，透過 ULMB 去達到降低 MPRT 的反應時間，也就意味著頻繁的開關背光或是插入黑畫面，會造成螢幕亮度降低，也可能讓使用者看到螢幕閃爍的情形，並且會發生過衝（Overshoot）和下衝（Undershoot）等現象，最糟甚至會導致訊號失真，對圖像品質造成影響或是面板壽命變短。

訊號測試小知識

過衝（Overshoot）：是指信號在從一個值轉變到另一個值時，瞬時值超過了最終（穩態）值，並產生在電源電平之上的額外電壓效應。這意味著信號在轉換過程中超過了預期的目標值。

下衝（Undershoot）：則是指信號在從一個值轉變到另一個值時，瞬時值低於最終值，並產生在參考地電平之下的額外電壓效應。這意味著信號在轉換過程中低於了預期的目標值。

過衝和下衝都是電子訊號處理中不利的現象，常常發生在訊號轉換、開關操作或電路切換的過程中。它們可能導致訊號失真、噪音增加，甚至對電子元件和電路造成損壞。而在顯示器上，嚴重的過衝與下衝，會導致面板的壽命變短，畫面過於銳利，而導致失真。

三、 全新推出的 ClearMR，精準定義畫面模糊的標準

講完了 GtG 與 MPRT ，我們終於要來介紹，最新定義畫面模糊的標準規範，它就是 VESA 在去年發布的 ClearMR（Clear Motion Ratio）。

VESA 於2022年7月，正式發布一致性測試規範（ClearMR CTS）V1.0，總共定義了7種不同級距（ClearMR 3000 至 ClearMR 9000），該年底更往上延伸至11個級距，加入了 ClearMR 10000 至 ClearMR 13000。級距的數字，代表著清晰影像與模糊影像的性能比，例如30：1＝ClearMR 3000，70：1＝ClearMR 7000，90：1＝ClearMR 9000。數字愈高，表示該產品在動態上的表現愈清晰。

(一) 不同級距下，清楚顯現出動態模糊的差異

ClearMR 可針對螢幕的動態模糊定義與分級，讓顯示器動態模糊有了更清楚的定義可依循，不但取代了現有僅基於時間的模糊指標（如前述提及的MPRT、GtG），針對畫面模糊的狀況，提供更完整且公平的比較基礎。

從下圖可看出在不同級距下，待測螢幕顯示的動態輪胎的模糊表現。Still image代表靜止畫面，我們比較從 ClearMR 3000 到 ClearMR 9000，可以明顯比較出模糊差異，等級越高則影像越清晰。

（二）那 ClearMR 的數值是如何測量？

ClearMR 是利用可每秒拍攝10000張以上相片的高速攝影機，拍攝待測螢幕中，由左至右移動的亮光區塊（VESA協會提供的範例程式所產生），會區分為 Leading（領導）與 Trailing（尾隨）。

再透過拍攝的圖片，產生所謂模糊的輪廓，再來計算其相對應的 CMR 值（Clear Motion Ratio）。我們可以從下圖看到結果，黃框中的 CMR 值是4782，就可以對應級距圖得到待測螢幕的ClearMR級距落在 ClearMR 5000的範圍內，即為螢幕的性能表現。

唯有通過測試認證的產品，才有資格使用 VESA ClearMR 的 LOGO ，此規範也在推出後的第一時間，獲得多家顯示器大廠如三星、HP、LG 響應並支持，目前獲得認證的產品都有名列在 VESA 的官方網站上。或許 ClearMR 還無法完全取代，現今主流的 GtG 或 MPRT 的「反應時間概念」，但對於市面上百家爭鳴、不斷強打的 1ms 的顯示器來說，它可以為消費者提供更直觀的評選指標。

宜特訊號測試實驗室也在今年獲得 VESA 授權成為 ClearMR 認證中心，具備所有 ClearMR 認證測試設備、測試環境（包含暗房）與技術能力，可以提供動態清晰率（Clear Motion Rate，CMR）、變異係數（Coefficient of Variation，CV）、過載（Overload）、亮度退化（Luminance Degradation）、背光掃描（Backlight Strobing）測試，可協助多家顯示器、筆電、電競品牌與代工廠進行 VESA ClearMR 測試，助其產品符合規範，取得認證標章。

本文出自 www.istgroup.com