為什麼要禁用生物可分解塑膠？受法規與民眾影響的循環經濟難題——《科學月刊》

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。

橡膠對現代人的重要性

如果沒了這種物質，世界會是什麼樣子？試想沒有輪胎的汽車、沒有奶嘴的奶瓶、沒有腳蹼和潛水服的潛水器材、沒有橡皮擦的鉛筆、沒有黃色小鴨的童年⋯⋯

這種質地特殊的材質便是橡膠。橡膠來自原生於亞馬遜叢林、名為「巴西橡膠樹」的樹木（Hevea brasiliensis，命名來源就是因為這種植物生長於巴西）。

不過，歐洲人首次注意到的橡膠樹其實是圭亞那橡膠樹（Hevea guianensis）。樹如其名，這種橡膠樹生長於圭亞那。

在歐洲人「發現」橡膠樹的時代（印第安人當然很早就認識了這種植物），圭亞那是個鮮為人知的蠻荒之地，沒有火箭發射場也沒有淘金客。

當時也不流行生態旅遊、T 潘趣酒（ti-punch，一種蘭姆酒的調酒）或卡宴辣椒。當時的人也從未想到，這種看似平凡的熱帶樹木即將引發高潮迭起的植物和經濟熱潮⋯⋯偶爾還有些悲壯。

有位巧手的工程師正在尋找會哭泣的樹木

第一位對橡膠產生興趣的人，是胥修德里領主、加陶迪耶的弗朗索瓦．弗雷諾（François Fresneau de la Gataudière, 1703–1770），他在 1703 年生於牡蠣的原鄉、法國西南部的馬雷訥。他的全名看起來充滿上流社會的氣息，我們在這本書中稱呼他為弗雷諾就好。

弗雷諾本人似乎遭到歷史遺忘，但他的發現和成就改變了世界。就如同法國歌曲〈塑膠超讚〉的歌詞：「塑膠超讚，橡膠超柔軟」！今日的人類已經可以羅列出超過 25,000 種不同的橡膠用途。

路易十五的海軍大臣莫爾帕伯爵菲利波（Jean-Frédéric Phélypeaux de Maurepas, 1701–1781）任命弗雷諾為圭亞那首府開雲的皇家工程師。弗雷諾當年29歲，而且熱情滿滿。

弗雷諾的第一份工作便是研究新堡壘如何搭建。他也需要採收植物，以便充實皇家花園。他對當時圭亞那的可可園十分感興趣。工程師弗雷諾的得意作品中，最令他得意的發明作品是⋯⋯蟻巢毀滅器！果真是自由奔放的年輕人。

發明蟻巢毀滅器的天才：弗雷諾

當時，可可園遭受紅螞蟻入侵，而充滿創意與膽識、彷彿十八世紀馬蓋先（譯註 美國冒險影集《百戰天龍》主角）一般的弗雷諾便發明了可以將硫磺吹進蟻巢的機器。

螞蟻因此蒙受苦難。他持續搭建非常實用的引擎：將溝渠斜坡上的泥土提起並移走的起重機、磨碎木薯或小米的手磨機、從木薯根部榨出水分的壓縮機。他還策畫了奧亞波克河新哨所的防禦工事。

弗雷諾被自己的成功沖昏了頭，希望加官晉祿，要求升任上尉。當時的圭亞那監察專員也認為弗雷諾「熱情澎湃，宛如英雄」。

然而，他卻受到其他殖民地老長官和開雲教士社群的忌妒，升官之路受阻。於是，弗雷諾前往鄉間，僱用 八名「黑人」（請記得，當時的法國人仍使用「黑人」、「野蠻人」、「生番」等稱謂來稱呼和殖民者長相不相似的族群⋯⋯），並種植甘蔗、木藍等植物。

他也持續發展自己的防禦工事專長，發明了一種可以用來製磚的泥沙混和物。真是位天賦異稟的工程師啊！

——本文摘自《植物遷徙的非凡冒險》，2023 年 6 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

• 作者／張凱婷

作者簡介
綠色和平減塑專案負責人。都市與社區規劃背景，從事環境倡議工作六年，致力支持全球與在地的永續與環境保護行動。

• Take Home Message
  • 塑膠廢棄物的汙染愈加嚴重，特別是一次性塑膠包裝。據統計，2040 年全球塑膠廢棄物將會累積至6.46 億公噸。
  • 分析報告指出「源頭控制、減量」比「回收」或「替代材質」更適合作為塑膠汙染的解決方案。
  • 正進行談判協商的全球塑膠公約須以零廢棄為原則限制生產與使用，優先淘汰一次性塑膠，以終結塑膠汙染世代。

自人類開始使用各種形態、材質的塑膠，只花了不到一個世紀的時間，就讓塑膠汙染成為全球性、最緊急的環境挑戰之一，影響著我們的健康、自然生態及氣候。

即使全球統一的回收標誌已運行了 40 年之久，但所有被產生出來的塑膠垃圾只有 9％ 進入回收利用。塑膠廢棄物的末端處理成效令人沮喪，但塑膠用量仍年年升高。根據統計，全球自 1950 年代至今已累積製造了 83 億噸的塑膠，2021 年的塑膠產量更已達到 3.9 億公噸，與半個世紀前 1964 年的 1500 萬噸相比，相差了 20 倍。

根據世界經濟論壇（World Economic Forum，WEF）估計，一次性塑膠包裝占所有塑膠產量的 40％，為塑膠產業的最大宗，相當於每年有 1.61 億噸的塑膠包裝在市面上僅用一次就被丟棄。塑膠包裝也因此成為海洋及全球淨灘統計中最大量的垃圾。

塑膠演變成環境汙染的原因在於它幾乎無法完全被分解，而且會隨著陽光長期照射，脆化、分解、破碎成更小的碎片或顆粒，形成塑膠微粒。由於塑膠微粒的尺寸小、重量輕，透過大氣可以使它的傳播距離更遙遠，不僅漂浮在我們呼吸的空氣中，甚至可以進入並積聚在我們的器官、組織、血液中。

單靠回收無法解決問題 「減量、控制」才是最具吸引力的解決方案

皮尤慈善信托基金會（The Pew Charitable Trusts）2020 年出版的海洋塑膠分析報告書——《打破塑膠浪潮》（Breaking the Plastic Wave）指出，全球塑膠汙染的情形會愈來愈嚴重，若沒有系統性的轉變，到了 2040 年全球每年產生的塑膠廢棄物將會倍增，累積在海洋中的塑膠垃圾會比現在多出四倍，來到6.46 億公噸（圖一）。

不過，這份報告也提出相關解決方案，包括：

• 源頭控制、減量：直接淘汰塑膠、擴大消費者重複使用方案、推出新的包裝商業模式
• 替代材質：紙、紙＋淋膜、可分解材質
• 回收：機械回收、化學回收
• 終端處理：廢棄物燃料化、焚燒、掩埋

報告指出，若要解決塑膠汙染，無法靠單一的解決方案，且每一個解決方案可以帶來的減量效果都有所不同。其中，「源頭控制、減量」——透過直接淘汰包裝、擴大消費者重複使用的選項、新興的商業模式，在綜合環境、經濟和社會角度成為最具吸引力的減量方案，可以最大程度減少塑膠汙染，還能帶來經濟效益並緩解溫室氣體排放（圖二）。

我們必須要以前所未有的速度和規模創建新的商業模式、產品設計、材料、技術和回收系統，以加速朝向循環經濟發展。

企業自願性承諾減塑緩不濟急

2018年，艾倫麥克阿瑟基金會（Ellen MacArthur Foundation）邀請眾多企業及政府簽署自願性的「新塑膠經濟全球承諾」，包含使用大量一次性塑膠包裝的零售商、觀光業、食品業及包裝製造商要在 2025 年達到以下減塑目標：

• 剔除不必要或有問題的塑膠包裝。
• 達成可重複使用塑膠的商業模式，以替代一次性的塑膠使用。
• 全面使用 100％ 可重複利用、可回收或可堆肥的塑膠包裝。
• 對所有使用中的塑膠包裝設定採用可回收塑膠比例的目標。

然而，艾倫麥克阿瑟基金會去（2022）年度的追蹤報告卻顯示，以目前企業落實的程度看來，2025 年幾乎不可能達成此目標。值得一提的是，重複使用的商業模式雖然每年都有成長，但是成長幅度並不高，企業以及政府相對投注更多資源在「回收」或「替代材質」。

這突顯大品牌空洞的自願性承諾，需要更強而有力的導正，大幅減少塑膠的生產和使用，並且應大力加速轉型往「重複使用包裝」的經濟模式。

進行中的全球塑膠公約

好消息是，要阻止塑膠汙染持續惡化的呼聲也來到高峰。去年 3 月的聯合國環境大會（United Nations Environment Assembly，UNEA 5.2），各國家及地區代表均認同解決塑膠汙染的迫切性，決議確立公約。為了立法處理塑膠汙染問題，全球規劃透過「政府間談判委員會」（Intergovernment Negotiating Committee）商議條文細節，目標明（2024）年底前完成協商程序。

依照目前的規畫，從去年底到明年將進行五輪的談判協商，第一輪已經於去年 11 月於肯亞奈洛比落幕。

第一輪的會議重點有以下：

• 各國家及地區均認同解決塑膠汙染的迫切性
• 許多政府及企業都有共識此條約需具法律約束力，並涵蓋整個塑膠生命週期
• 各國家及地區須制訂「國家／地區級行動計畫」

源頭減量，終結塑膠汙染時代

聯合國在 2017 年時宣布了塑膠汙染為全球危機（planetary crisis）：塑膠汙染不可逆轉，不僅會導致生物多樣性喪失，對依賴海洋生態系統健康的人類生計造成毀滅性影響，科學證據也證實當前的塑膠汙染已超出了地球可負荷的極限，再加上塑膠汙染的跨區域特性強、生命週期對全球造成汙染並衝擊自然環境與人類健康。

我們亟需導入能與問題規模相匹配的解決方案，全球塑膠公約必須以「預防放任塑膠無上限生產」及「零廢棄」為原則，限制塑膠的生產與使用，設定塑膠生產限制的歷史基線，作為不得再產生新原生塑膠的禁令，並且優先從源頭逐步淘汰一次性塑膠，以終結汙染世代。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 5 月號〉
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