樹木有「精氣」才能茁壯？淺談種樹的眉眉角角——《聆聽樹木的聲音》

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。

當一場大雨滂沱襲來，我們都曾衝向一棵樹去尋求掩護，在這之前，幾乎不會去考慮不同樹種的問題，但在各種樹種下的避雨體驗是相當不同的。在下一場雨到來之前，這是件值得稍微思考的事情。讓自己沉醉在閱讀樹傘的藝術之中，你將迫不及待地渴望下雨，這樣你就可以更進一步去探索。

葉片與保護傘效應

每個樹種的樹冠各有不同，雲杉、甜栗、杜松、山楂擁有非常茂密的樹冠，樺木、落葉松和柳樹的樹冠則是稀疏、開放式的，歐洲赤松、赤楊木和橡樹的樹冠介於兩者之間，但樹冠茂密度只是一個考量因素。

樹葉的大小和保護傘效應之間存在著令人驚訝的關係。

樹葉愈大就有愈多的雨水流入地面，這與多數的人在衝去避雨時所猜想的相反；在大雨中，穿過山毛櫸葉子的雨水是松針的兩倍；橡樹並不是一把好雨傘，穿過它的雨水比被它擋住的還要多；如果你好奇原因是什麼，答案就在樹葉的構造裡。

闊葉樹的葉子將雨水引向葉子的尖端（所以潮溼的地區常見尖銳樹葉），雨水滴落前，一片葉子最多承受一滴雨水；針葉比闊葉更細，每片樹葉也都能乘載一滴雨水，而且一片闊葉的面積等同十幾根或更多的針葉。

所有樹傘的抗風程度都不盡理想，陣風吹過、雨水滑落。

樹枝形態是保護力關鍵

雨下得愈小愈短暫，任何一把樹傘都有讓你保持乾燥的能力。雖說它們最終都會投降讓雨水通過，但樹種之間的放行方式也大相逕庭。

有些樹對遮蔽躲雨的行人很體貼：它們把雨水收集在樹枝上並引導雨水流到樹幹，猶如一條小溪流沿著樹皮將雨水匯流到地面上；另一種則是讓雨水從樹的中心落到最寬的部分，就像塑膠傘一樣。也有一些讓雨水直接穿過樹枝落到你的頭上，滴滴答答響個不停。我不知道你怎麼想，但我覺得樹外不停下著雨好過在衣服上發現一團水漬；望著雨水順著樹皮向下流，絕對比感受雨從你背上順流而下要有趣得多。

值得花點時間細想一下，哪些樹善良，哪些愛惡作劇？

關鍵在於樹枝的形態。

向著天空傾斜或是向著地面傾斜的樹枝，比起水平的樹枝更適合當作雨傘；向下傾斜的樹枝，像是雲杉、洋松和其他的針葉樹，它們會將雨滴從樹的中心和你頭上引向樹的周圍。大雨來臨時，可以找找穿著巨大雨滴裙的樹。

樹枝向著天空伸展的樹，像是楊樹、山毛櫸、檜木、杜松、一些柳樹和針葉樹，會將雨水引流到樹幹。大雨過後，站在一棵山毛櫸旁，你會目賭激流順著光滑的樹皮流下，一路躍出一叢叢的苔蘚。（苔蘚之所以生長在這裡，是因為這些雨水渠道，並非許多人認為是樹的北側造就了苔蘚。）

橡樹、雪松、落葉松和歐洲赤松有許多水平的樹枝並且態度惡劣。雨水匯集在樹冠上直到雨水過多、樹葉無法承受。此時樹枝不會將過量的雨水向內或向外引導，而是讓雨水直接落在我們身上。

最大的驚喜可能是杜松，密集的針葉樹冠和樹枝的形狀結合，使它成為保護傘的典範。它善於接住雨水使其遠離地面，以至於這些灌木叢下有時會有一片微型沙漠，像真菌這類乾燥地區的特殊有機體會在此處蓬勃生長。然而，杜松矮小並多刺，這意謂著很少會有人爭相跑到杜松下躲雨。

歐洲雲杉獲得最佳樹傘獎可說是實至名歸。它結合了密集的針葉樹冠，樹高、樹寬也十分剛好，還擁有出色的枝條型態與相對的豐富性。

我喜歡在大雨中一邊看著雨水淋溼附近其他樹木的樹幹，一邊享受雲杉帶來的乾爽。雲杉樹幹在傾盆大雨中保持乾燥的時間，長到令我驚喜。

感受樹傘之美

當大雨伴隨強風，雨水就會被吹到樹幹上。暴風雨後，當我走過當地的山毛櫸林，我注意到樹幹上有兩種不同的直條雨水紋路：一條是我們剛才討論過的，雨水從樹枝流進來而形成的通道；另一條是風揮灑的圖畫。它們時而交疊，時而遵循不同的路徑，它們經常交織在一起，在樹皮上創造出溼漉漉的格子圖案；剛開始你會以為這只是隨機的現象，不過當你的眼睛能明辨兩種雨水紋路的成因，箇中道理就清晰可見，就此揭開了隨機現象的神祕面紗。

乾燥的日子裡，我們也可以在林地裡享受雨水的不對稱性。請注意，森林裡永遠不會出現完全相同的地表，混合了落葉、下層植被、裸地、樹樁等。

基於上述的原因，溼度差異很大，最潮溼的地方往往會有植物群落，像是苔蘚，與附近較為乾燥的地區差異甚大。比較看看雲杉和橡樹林下的地面，保護傘的好壞之分因人而異。

——本文摘自《解讀身邊的天氣密碼》，2022 年 10 月，晨星出版，未經同意請勿轉載。

• 作者／詹鳳春

樹的光飽和點：陽樹比陰樹更需要陽光

樹木主要可分為陰樹、陽樹及中性樹。所謂陽樹，即偏好日照，當日照不充足便容易枯損衰弱。反之，即使日照不充足也可以健全生長，稱為陰樹。還有介在陰樹與陽樹之間，稱為中性樹。

植物的葉子進行生命維持活動。對植物而言，光為生存的能量，如同動物攝取食物般的重要。換句話說，能否取得充分的日照為樹木的死活問題。

葉子為了收集光照，在葉的構造內也下了不少的功夫。常見葉大且薄，在葉的背後及內側可有效的收集光照。葉表面附著了一層薄膜的角質層，除了讓水分難以透過以外，還可防止葉表蒸發，保護葉內組織。

自葉的生理角度來看，陰樹與陽樹的最大差異，在於光飽和點及光合作用速度不同。一般光照量的最高限度，稱為光飽和點。因此日照需求度高的樹木為陽樹，能耐日蔭為陰樹。

陰陽特質的掌握，有助於適地適木的配植。例如櫻花樹（陽樹）的光飽和點高，受到強光而不斷增加光合作用量，當光照變弱時光合作用量也隨之降低，長期下來影響櫻花樹的生長。

樹木陰陽的差異並沒有明確基準，如一天必須要達到多少小時才能存活？這是隨著原生地的環境，以及培育經驗法則所分類。樹木的成長，是隨著光照強度性質而改變。

例如，幼木時可以在林蔭弱光環境下生長，長大為成木對光的需求也慢慢增大。相對的，需要強光生長為陽樹，周邊若有高大喬木環境時生長受阻，而陰樹即使周邊有大樹也可生長。

一般陽樹多為落葉樹種，因生長快速，樹幹易粗大且短命趨勢。相對的陰樹多為常綠樹種，生長慢，壽命也較長。

除了樹種外，葉子也可分為陰葉、陽葉

此外葉子也可區分陰葉及陽葉；陽葉受到強光，光合作用量增加，陰葉則是利用較弱的光照度進行光合作用。

對樹木而言，最適切的光照度為晴朗的上午，午後的西曬通常帶給部分樹種生長阻礙。路邊常見的紫薇，當夏季午後受到強烈西曬、高溫過熱，反而光合作用量頓時減少。過於高溫時，葉內含水量隨之減少，葉內的氣孔關閉後便無法呼吸交換而影響光合作用。

都市行道樹的日照條件也決定樹木生死，受到各方高樓環抱而遮蔽日照，光合作用也會受到影響。尤其當陽樹日照不充分時生長容易出現阻礙，即使為耐陰的山茶花、冬青也會出現樹勢低下及開花不良、病蟲害等問題。

一片葉子的生命有多長？

針葉樹與闊葉樹的葉型，表現出樹木存活的戰略。

常見的針葉樹種柳杉、松樹等為常綠樹種，葉子細長、如針狀。這是為了取得更多的日照得以行光合作用，並不斷的往上生長。藉由向上生長與其他植物相互競爭，取得日照。

雖然稱為常綠樹，但也並非不落葉。尤其光合作用效率變低後，老葉陸續落葉並與新葉進行交替更新。樹木為了維持葉子也需要充分的養分，除了蓄積於枝條、樹幹以外，也儲藏於針葉樹葉內。

一般常綠樹的葉子壽命平均一到兩年，松樹的葉子甚至二到十年的也有。常綠樹的壽命，取決於環境。即使相同種，也會因日照、降雨量、土壤環境的不同而出現差異。

當環境要素越是不良時，葉子的壽命也就越長。簡單說，光合作用效率變低，養分的回收期間也就更長，而葉子的壽命也變長。一般熱帶地區的常綠樹，多數葉子的壽命為三個月。

即使先天抽了一張好牌，沒有好的成長環境也是枉然

樹木的生長條件之中，氣溫扮演著非常重要的角色。例如：將暖地生長的樹木種植於寒冷地，易受寒害，葉子變黑、枯死。相反的，習慣寒冷地的樹木若種植於暖地時，就容易出現新芽生長停頓等現象。

諸如此類的現象，可以說是樹木各自的生理特徵。

樹木以根系吸收養水分，枝葉進行光合作用並製造能量。暖地或喜日照的樹木，光合作用能力非常旺盛，所製造的糖直接被樹體吸收使用，而水及空氣自葉的氣孔排出為蒸散。

就另一個角度來看；當氣溫升高時，蒸散旺盛而葉溫也隨之下降。而蒸散旺盛也會讓樹木失去大量水分，甚至引起脫水狀態。

因此，樹木為了維持本身機能平衡，配合氣候進行生理活動。例如：熱帶雨林的樹木行光合作用時，根系需要吸收大量水分；而沙漠的植物幾乎處於冬眠，受到強烈熱氣後關閉氣孔，將水分儲存於體內等。

生活在都市裡的樹木，面對了哪些壓力？

樹木面對各式各樣環境要素，其生活樣式也不同。然而這樣的生活並非一朝一夕，而是經過不斷演變而獲得的機能。當環境突然改變時，樹木當然也面對很大的生長壓力。

行道樹面對的都市環境，如水泥、柏油等人工基盤，引起的高溫化要比郊外氣溫還高，遠遠不同於自然環境生長的樹木。

面對嚴峻的都市微氣候環境，水分吸收為生存的關鍵要素之一。當水分不充足，直接反映於蒸散的受阻。而通風不良時，枝葉蒸散也容易出現病蟲害。

相對的，風過大反而帶給樹木物理損傷，同時引起土壤蒸散、落葉等問題。尤其長期遭受東北季風吹襲，因低溫使根系衰弱無法吸收水分，間接影響蒸散能力。行道樹受到大樓風影響也容易出現落葉、枝條斷裂、傾倒等災害，其環境因素直接影響樹木生理。

——本文摘自《聆聽樹木的聲音》，2022 年 7 月，麥田出版。