鑑識故事系列：哪一把武士刀砍了顱骨？

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。

這次來醫院的目的，是更換並固定新的侵入性呼吸器材，計劃相當簡單：事前禁食，全程無麻醉，不用住院，做完直接回家。不過，當天程序走到一半，13 歲的德國男孩就過世了。^[1]

氣管造口術

男孩患有原因不明的嚴重先天性神經疾病。^[1]大概是食物或液體動不動就落進下呼吸道，他時常感染吸入性肺炎（aspiration pneumonia），^{[1, 2]}因此曾接受氣管造口術（tracheostomy；簡稱氣切）（圖 1）：在脖子前方開一個永久性的孔洞，置入氣切管，並連接正壓呼吸器。^[1]這個氣管造口便於抽清下呼吸道，以維持暢通；^[3]但是多年下來形狀走樣，開過數次刀，換了各種氣切管，都無法穩固裝置。不僅空氣外漏，氣切管的充氣氣囊（圖 2），也總是在呼吸器運作時滑出來。於是，男孩的醫師群決定執行氣管造口矯正術（tracheostomal epithesis），把氣切管跟氣管造口之間的縫隙封起來。^[1]

氣管造口矯正術

氣管造口矯正術開始，兒童胸腔科醫師拿起新的氣切管，先測試充氣氣囊是否功能正常，再將氣切管從男童的氣管造口插入。以支氣管鏡確認其位置無誤後，拔除呼吸器。然後灌飽氣切管的充氣氣囊，以防止男童吸入異物；同時仍露在體外，用來顯示氣囊狀況的測風球，也相當飽滿。男孩平常能在無呼吸器的情況下，撐好幾個小時，所以及至此刻他的生命徵象依然穩定。^[1]

假體製作師把混合槍（圖3）的前端，伸入氣管造口，從新的氣切管旁，灌注橙色的矽膠印模材料，精確複製周邊組織的構造，好在稍後翻模塑形，填補氣切管跟氣管造口間的空隙。在進行此步驟時，假體製作師發覺矽膠用量異常地大。開始灌注的 60 秒後，男孩的血氧飽和濃度劇降，臉色發青。^[1]

所有動作立刻停止。原本在灌注完成後，要透過氣管鏡，檢查有無矽膠跑進氣管或支氣管。現在兒童胸腔科醫師，以及陸續加入搶救的兒童加護科、兒童腸胃科和耳鼻喉科醫師，只管拼命地把矽膠抽出來，還有進行人工呼吸。他們拔出氣切管，再插入一支新的，然後從支氣管鏡看到矽膠的堆積，遠超過計劃範圍。趕緊給男童上了麻醉劑，推去手術室。^[1]

醫療團隊於喉頭鏡和支氣管鏡的輔助下，繼續清除矽膠，並且幫他接上體外維生系統（ECMO；又稱葉克膜）。在經過數次努力後，終於從下呼吸道，取出一根 Y 字型的矽膠（圖4）。遺憾 2 小時的搶救下來，男孩仍然回天乏術。^[1]

鑑識證據

隔天，法醫仔細檢驗這具 140 公分高，28 公斤重的屍體，與死亡相關的發現，包括：取出的矽膠，跟氣管下半部、主支氣管和肺節支氣管完全吻合（照片）；肺水腫（pulmonary oedema）；急性肺氣腫（acute emphysema）；以及肋膜下的瘀點（petechiae）等。另外，假體製作師拿的混合槍，容量為 50 毫升；而從男孩體內取出的矽膠（圖 4），約有 43 毫升。至於出事時用的那支氣切管，充氣氣囊與測風球的功能都正常。^[1]

法醫確定男孩死於矽膠阻塞下呼吸道，所造成的窒息。^[1]但是，應該不能超過充氣氣囊頂端的矽膠，究竟是怎麼搞得到處有？

可能的肇因

2022 年於期刊上發表此個案報告的作者，推測矽膠有可能在這些情況下，流出預定範圍：^[1]

1. 充氣氣囊沒灌飽。^[1]
2. 充氣氣囊移位。^[1]
3. 灌注矽膠的壓力，擠壓氣管壁，而產生流竄的通道。^[1]
4. 灌注矽膠的壓力，大過充氣氣囊防堵的阻力。^[1]
5. 以上假設的各種組合。^[1]

責任歸屬

調查完畢後，檢察單位認為：^[1]

1. 此氣管造口矯正術是必要的醫療行為，而且事前有簽署同意書。^[1]
2. 2016 年事件發生時，當地沒有氣管造口矯正術的官方準則。直到隔年，德國聯邦假體製作師協會（Deutscher Bundesverband der Epithetiker）增修指南，才涵蓋氣切造口等開放性傷口的印模。^[1]換句話說，當時缺乏判定作法是否正確的標準。
3. 該假體製作師受過所有相關訓練，具專業認證，而且過去 15 年，執行逾百次氣管造口矯正術。^[1]
4. 基於個體差異，無法估計矽膠的正確用量。^[1]
5. 醫療團隊有即時發現問題，並馬上以適切的方式急救。^[1]

綜合以上，檢方以嫌疑不足結案。報導此事件的論文作者，則提出了幾項建議：首先，在氣管造口矯正術的過程中，最好同步使用氣管支氣管鏡，別等事後才檢查有無異狀。如此便能在問題發生的當下，迅速停止動作。再來，充氣的時候，若有氣囊壓力計（圖 5），灌飽與否就不會僅是憑感覺。最後，專業指南必須詳述操作步驟、所需的人員和技術，以及安全須知。^[1]

1. Wittschieber D, Schulz R, Schmidt PF. (2022) ‘A safe procedure? The unusual case of a fatal airway obstruction by silicone during the production process of a tracheostomal epithesis in a 13-year-old boy’. International Journal of Legal Medicine, 136, 373–380.
2. ‘Vomiting’. (JUN 2021) Healthdirect Australia.
3. Ueha R, Magdayao RB, Koyama M, et al. (2023) ‘Aspiration prevention surgeries: a review’. Respiratory Research, 24, 43.

雖然生物使用很多種方式運動，但是現在機器人的設計多半仿製有有骨骼支架的生物，使用關節、支架跟驅動器來達成運動。但是有一類的生物，像是軟體動物，是利用軟組織本身的變形來做運動，沒關節、沒骨骼，這類運動卻很少被應用在機器人身上，現在研究人員利用類似的想法做出了下面這個軟的爬行機器人：

主要的原理很簡單：先利用立體印表機設計出模子，模子的設計是裡面有一些不對襯的空隙，然後用矽膠去翻模，就可以做出可以充氣變形的機器人。裡面的空隙設計如下圖，在這樣的設計裡只要控制四隻腳不同的充氣壓力順序，就可以做到影片中那樣有規則性的運動方式。

這樣的軟機器人的設計成本不高，因為整體沒有關節根支架的分別，製造上也容易，或許在未來像是跟人體互動的接觸或是需要柔和方式的運動時可以派上用場！

學術文獻