破除歐洲殖民之前的非洲沒有科學發展史的迷思！非洲原來也有豐富的科學傳統？——《被蒙蔽的視野》

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。

• 前情提要：破除歐洲殖民之前的非洲沒有科學發展史的迷思！非洲原來也有豐富的科學傳統？——《被蒙蔽的視野》

廷布克圖無疑是近現代西非科學進步最重要的地點之一，卻也絕非獨一無二。非洲還有其他一些城市，特別是與更廣泛的貿易和宗教世界密切關聯的那些城市，都在這段期間經歷了相似的科學知識擴張。

除了廷布克圖以外的那些地方

博爾諾蘇丹國（Sultanate of Borno）是位於當今現代奈及利亞境內的伊斯蘭王國，根據一份晚近記載，該國大清真寺（Great Mosque，譯註：亦稱「星期五聚禮」或「主麻日」清真寺）的學者研讀「好幾部科學著述」。

同樣地，在後來成為奈及利亞的另一個伊斯蘭王國，卡諾蘇丹國（Sultanate of Kano），則是從穆斯林世界各地延攬學者前來宮廷教學。在十五世紀初，一位學者從麥地那遠道前來，並隨身帶來了大批阿拉伯手抄本，其中有許多都涉及科學科目，好比天文學和數學。就像在廷布克圖，十五世紀卡諾的非洲學者，同樣閱讀種種阿拉伯文概述，摘譯自古希臘文本以及諸如海什木等影響深遠的穆斯林科學思想家的著述。

如同我們在其他地方所見，在卡諾宮廷工作的天文學家，也協助編制年曆。

一位名叫阿卜杜拉．本．穆罕默德（Abdullah bin Muhammad）的學者，甚至還寫了一部手抄本來詳述傳統伊斯蘭占星術星曆，內容談到月球如何在一年期間運行穿越不同星座。除此之外，本．穆罕默德也描述了「行星的運行」以及它們所具有的種種不同占星學意義。最重要的是，這部手抄本是以豪薩文（Hausa）寫成的，使用這種語文的豪薩族裔群體，就是卡諾人口當中的多數族群。除了阿拉伯文星體名稱之外，本．穆罕默德甚至還註記了各個恆星和行星的豪薩文名稱。好比水星就以「瑪格塔卡德」（Magatakard）被列於其中，其豪薩原文的意思是「抄寫員」，至於太陽則稱為「薩爾基」（Sarki），意思是「王」。這同樣是個重要的提示，告訴我們非洲的前伊斯蘭天文學傳統的存在，而且當新的阿拉伯手抄本在十五和十六世紀傳入，這項傳統也隨之改頭換面。

神奇的魔幻方陣

新的科學思想在西非持續發展到了十八世紀早期。

一七三二年，一位在卡齊納（Katsina，同樣位於現今奈及利亞）工作的數學家寫了一部手抄本，標題是《論字母表之魔幻用途》（A Treatise on the Magical Use of the Letters of the Alphabet）。那位作者名叫穆罕默德．伊本．穆罕默德（Muhammad ibn Muhammad），曾東遊近一千三百公里外的博爾諾蘇丹國求學，師事泰斗穆斯林學者，學習天文學、占星學和數學。就像我們在本章接觸過的非洲科學思想家，他也在當時剛完成一趟麥加朝聖。

儘管書名晦澀難解，伊本．穆罕默德的手抄本，實際上就是一部數學作品，書中詳述了我們所稱「魔幻方陣」（magic squares）背後的基本原理，這是你有可能在學校裡遇到的那種材料。

最簡單的魔幻方陣是個 3×3 網格，裡面填上從 1 到 9 的數字，把數字填進正確位置，你就可以讓所有的行、列和對角累加和全都為相等數值。還有，儘管數字有多種排列方式，卻始終只有一個「魔幻數字」（magic number），可以讓所有數字的累加和全都相等。（就3×3網格而言，那個數字是15。）一旦你掌握了這一點，接著你就可以開始提出比較複雜的數學問題——例如，像 9×9 這般較大的方陣，或者甚至是個 n×n 任意大型方陣的「魔幻數字」為何？你還可以開始計算出，就不同大小的方陣，各有多少種不同的排列方案，還有求解的最佳運算法為何。

魔幻方陣在中世紀伊斯蘭數學界有廣泛討論，而且伊本．穆罕默德也幾乎肯定是閱讀在卡齊納販售的阿拉伯手抄本時學過那種方陣。他顯然是著了迷，騰出他的手抄本多頁篇幅來介紹它們，並提出了一套公式，來建構種種不同尺寸的方陣。他還證明，就一個 3×3 方陣，只需旋轉與鏡射就能找出所有不同的解。

避邪、占卜、真主的秘密 魔幻方陣的宗教意義

然而，在伊本．穆罕默德看來，除了對數學的興趣之外，魔幻方陣也同樣是他宗教義務的一部分。魔幻方陣被視為阿拉的禮贈，「字母受真主守護，」他寫道。事實上，這種魔幻方陣在當時看來是十分特別，因此伊本．穆罕默德還建議數學家「暗中工作……你不該隨便傳揚真主的祕密」，這也點出了許多人心中認定與魔幻方陣連帶有關的神祕特性。

就像許多科學思想家，不論他們在非洲、亞洲或歐洲，伊本．穆罕默德也認為魔幻方陣具有護身符的作用，能防護抵禦不祥之兆；這就是為什麼他的手抄本標題提到數學的「魔幻用途」。魔幻方陣也被廣泛使用來嘗試預測未來。伊本．穆罕默德想必也在早現代時期的卡齊納提供他的這些服務，解析「讀數」，一般就是把特定數字代換成單詞或字母。甚至還有些人把魔幻方陣縫上他們的衣物來避邪。

科學革命的一部分：漠南非洲和歐洲科學革命驚人的相似之處

長久以來，撒哈拉以南非洲地區（編按：一般稱為漠南非洲）總是被排除在科學革命的歷史之外。然而一旦我們開始探索那片地區的豐富科學文化，實際上我們也就能看出，在同期該地區，該地區與歐洲的情況存有眾多雷同之處。就像在歐洲，非洲人也藉由阿拉伯文譯本和以阿拉伯文寫成的概述，認識了亞里士多德和托勒密等古希臘和羅馬的科學思想家。就如同歐洲的情況，非洲人也取法較晚近伊斯蘭天文學家與數學家的著述，好比海什木，得知對這些古代思想家的相關批評。而且就如同歐洲的情況，非洲的科學革命，並沒有完全排除較古老的觀點：天文學、占星學和占卜術，彼此往往仍難區分。因此，與其把非洲視為與科學革命互不相干，我們應該把它看成共通歷史的一個部分——在這段歷史中，沿絲路貿易和朝聖的蓬勃發展，促使十五和十六世紀期間的科學出現變革。

在廷布克圖和卡諾，就像在撒馬爾罕和伊斯坦堡，伊斯蘭學者也得到了非洲富人的贊助與扶持，因為他們能體認天文學和數學的宗教價值。「這門科學的一項用途就是能得知禮拜時間，」桑海帝國一位宮廷天文學家這樣表示。在此同時，天文學家也幫助引導商隊跨越撒哈拉，進一步為那處地區的貿易成長做出貢獻。他們旅行跨越浩瀚沙漠「彷彿那是在海上，由嚮導憑恃星辰操控前行」，一位作者這樣解釋。

非洲位於絲路最西端，到了十五和十六世紀期間，它終於也經歷了自己的科學革命。現在我們沿著絲路東行，揭示雷同的商業、宗教和知識交流，是如何協助在中國和印度引發了一場科學革命。

——本文摘自《被蒙蔽的視野：科學全球發展史的真貌》，2023 年 5 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

學者八方雲集的伊斯坦堡

哥白尼在歐洲掀起一股風潮之時，鄂圖曼帝國的天文學家和數學家，也正進入他們自己的文藝復興時期。從十五到十六世紀之間，鄂圖曼科學思想家產生出了超過兩百項天文學原創著作，再次挑戰伊斯蘭科學隨著中世紀「黃金時代」結束而沒落的觀點。

一四五三年伊斯坦堡征服之後，眾多穆斯林學者來到鄂圖曼，並在蘇丹資助之下投入工作，塔居丁只是這當中的一個。烏魯伯格死後，撒馬爾罕天文台的首席天文學家阿里．卡什吉前往伊斯坦堡，受僱在設於城中的一所伊斯蘭學校中工作，當時鄂圖曼人創辦了好幾百所這樣的學院。其他學者也從伊斯蘭世界各地，分頭來到了伊斯坦堡，包括波斯和蒙兀兒印度（Mughal India）。

得天獨厚的研究環境

在此同時，我們有必要記得，伊斯坦堡從來就不是個排外的穆斯林城市。猶太人和基督徒也在鄂圖曼宮廷找到贊助。猶太天文學家大衛．本－殊山在伊斯坦堡天文台與塔居丁共事，而穆罕默德二世的御醫也是個猶太人，是從文藝復興時期義大利逃來的難民。座落於歐洲與亞洲的十字路口，早現代時期的伊斯坦堡是一座國際大都會，在這裡面― 誠如我們在其他地方已經見到的― 宗教和貿易網絡在十五和十六世紀時期的擴張，促成了科學的轉型。

事實上，鄂圖曼的這段故事和歐洲的科學革命史有很多相似之處。就如同文藝復興時期的歐洲，鄂圖曼的科學思想家對古希臘作者的著述，也抱著很濃厚的興趣。

穆罕默德二世擁有大批古希臘手抄本藏書，全都在征服伊斯坦堡期間繳獲。秉持悠久的伊斯蘭傳統，蘇丹接連委派將這些古希臘作品重新翻譯成阿拉伯文。為配合鄂圖曼宮廷的國際性本質，這些譯本便由拜占庭希臘人完成。就像在歐洲的情況，鄂圖曼科學思想家也在這一時期開始閱讀並翻譯更早期的伊斯蘭思想家的著作。阿里．卡什吉的天文學手抄本也經翻譯為鄂圖曼土耳其文，圖西的作品也同樣如此。這位十三世紀的天文學家的種種觀點，對哥白尼造成了十分深遠的影響。

到了十七世紀中期，鄂圖曼科學思想家也開始閱讀歐洲的天文學著述。一六六二年，一位名叫特茲基雷奇．科斯．易卜拉欣（Tezkireci Köse Ibrahim）的鄂圖曼天文學家便解釋道：

「哥白尼奠定了一個新基礎，並編結出一個小型『紡索』星曆表，假想地球會動。」

易卜拉欣甚至還畫了幅草圖，勾勒出哥白尼著名的日心宇宙模型。

與歐洲相似發展故事

因此，我們可以開始看到眾多與傳統歐洲科學革命故事相仿的雷同情節。鄂圖曼的科學思想家也閱讀並翻譯古希臘文本，而且他們也學習借鑑比較晚近伊斯蘭作者的著述，來批評這些比較古老的理念。畢竟，在伊斯坦堡這座都市― 歸功於它位於絲路上的位置― 你很容易就能接觸到以種種不同語文寫成的科學手抄本，包括從拉丁文到希臘文，乃至於波斯文和阿拉伯文的著述。

不只如此，歐洲文藝復興的核心理念，在伊斯蘭世界也能找到雷同之處。這在阿拉伯文中稱為 tajdid（原文意指「更新」）。傳統上，這是宗教學者用來描述伊斯蘭教改革的術語。然而從十五世紀開始，tajdid 的概念就開始被使用得遠更為廣泛，成為某種關於振興的運動的一部分，而且被振興的不只宗教，也兼及伊斯蘭科學。這場運動並不局限於伊斯坦堡。到下一節我們就會看到，天文學、數學和伊斯蘭教之間的牽連，順著絲路向西傳播，跨越撒哈拉沙漠並來到非洲。

——本文摘自《被蒙蔽的視野：科學全球發展史的真貌》，2023 年 5 月，時報出版，未經同意請勿轉載。