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從古代烽火到未來 6G!《通信科技大解密》帶你全方位探索通信技術的演變

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/14 ・1097字 ・閱讀時間約 2 分鐘

圖 / 《通訊科技大解密》提供

現代生活中的通信科技,從手機、電腦到 Wi-Fi,無所不在。《通信科技大解密》是一檔國科會科普產品製播計畫支持,並由國立臺灣師範大學賴以威副教授與泛科知識股份有限公司攜手合製。節目將帶領觀眾一窺通信科技的發展歷程,並讓大家了解這些技術是如何改變我們的生活。此外,節目除了在民視台灣台播出,因應現代人的收視習慣改變,節目也同步上架至數感實驗室的 YouTube 頻道,讓大眾能隨時隨地觀看。

通信科技不僅是日常生活的基礎,未來的 6G 技術更是全球科技競爭的焦點。臺灣政府已開始布局 6G 市場,其它國家如美、中、歐盟也紛紛備戰此領域。想維持臺灣的科技優勢,不能只專注於半導體或 AI 的發展,通訊科技同樣不可忽視。賴以威老師想透過《通信科技大解密》這個節目,為大眾建立通訊科技的基礎知識,讓更多人了解它的重要性,同時為未來的產業培養跨域人才,確保臺灣在全球通訊科技競賽中占領先地位。

錄製《通訊科技大解密》側拍。圖 / 《通訊科技大解密》提供

《通信科技大解密》節目分為四大主題:

【第一部分:通信的起源】首先帶領觀眾探索通信技術的起源,從書信、旗語到古代烽火臺,介紹古代社會如何傳遞訊息,了解通訊技術如何一步步演進,形成現代通信的基礎;現代3C產品不可或缺的靈魂--晶片和電話的發明,如何改變資訊的傳遞速度與範圍。

【第二部分:通信科學家的故事】聚焦改變通信歷史的關鍵人物,從摩斯發明電報,到貝爾創造電話,再到喬治·布爾與克勞德·香農為現代通信技術奠定數學與理論基礎。此外,還介紹展頻技術的發明者海蒂·拉瑪的故事,讓觀眾了解這些偉大科學家的生平與如何影響通信科技的發展。

【第三部分:生活中的通信名詞】觀眾將進入一個與日常生活息息相關的通信世界,了解 Wi-Fi、頻寬、物聯網、6G、衛星通信、Li-Fi 等名詞的意涵及其應用,並介紹環境通信和氣球通信等前瞻技術的潛力,深入淺出地解釋看似複雜的技術名詞。

【技術部分:解密通信技術】節目也會帶領觀眾進入核心通信技術的解密過程,例如通信模型、錯誤更正碼等,介紹數學是如何影響現代通信技術、如何確保訊息傳輸的準確性。

《通信科技大解密》一共 16 集,觀眾可在數感實驗室的 YouTube 頻道(https://reurl.cc/GpOy9p)隨時重溫完整內容。無論是對通信科技充滿好奇的學生,還是對未來技術感興趣的社會大眾,都能透過這系列節目輕鬆獲取知識。

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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

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

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

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。

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從 3G 到 6G:行動通信的進化之路
數感實驗室_96
・2024/06/20 ・825字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

摩斯發明電報和貝爾發明電話,這些似乎是上古時代的科技,其實都發生在過去兩百年內。而手機,作為近五十年來的產物,又經歷了怎樣的演變呢?

讓我們來探討行動通信是如何從 3G 發展到 6G 的。

1989 年,一張名為《The Great Radio Controversy》的搖滾專輯發布,迅速走紅,登上告示牌熱門榜。雖然專輯的歌詞與通信無關,但它的名字「偉大的無線電爭議」確實讓人聯想到無線通信的歷史。而這張專輯的樂團名為 Tesla,沒錯,這正是向那位傳奇的天才科學家特斯拉致敬。特斯拉對無線通信的貢獻可謂奠基石般的重要,而從 3G 到 6G,行動通信技術又經歷了哪些突破和變革呢?讓我們一起深入了解。

行動通信的歷史雖然只有短短幾十年,但其中包含的豐富內容實在說不完。從精彩的發明故事到商業競爭,再到行動通信所帶來的社會變革,每一個環節都值得深入探討。而在這集影片中,我們僅僅觸及了冰山一角。

下一集將深入探討 WiMAX 那成功的哥哥——Wi-Fi,也就是大家熟悉的無線區域網路技術。讓我們繼續探索這些改變世界的科技!

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

參考資料

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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大科學人專訪 | 賴以威:在趣味數學教育推廣中,跨越時空和爸爸、孩子活在一起
LIS_96
・2022/10/06 ・2911字 ・閱讀時間約 6 分鐘

他是賴以威,台灣師範大學電機系副教授,數學推廣平台——數感實驗室共同創辦人,同時也是一名小說家,出版過多本著作,在這些斜槓身分之外,他還是三個孩子溫柔的爸爸。

一路順遂的求學歷程,「成為教育者」的志向,不曾出現在這位資優生的人生選項裡,直到 27 歲那年父親驟逝,他決定傳承爸爸推廣趣味數學的遺志。

如何從一位數理資優生走向教職,賴以威的故事和教育觀點,邀請你一起往下閱讀>>>

一生重要的影響

談起自己的求學歷程、性格態度,賴以威的父親——賴雲台老師無非是他生命中的關鍵影響。在賴以威心中,爸爸是嚴師也是慈父、是教練也是最好的玩伴,下棋、玩牌是父子倆共同的日常興趣,他們一邊鬥智,也一邊鬥嘴,自己的數學興趣和能力也在其中逐漸養成。

「我的爸爸是一個自我要求很高的人,受他的影響,讓我開始督促自己要努力,給自己高標準,發揮最大的潛力。」賴以威憶起高中就讀師大附中科學班的日子,在高手雲集的班上,當時的成績並不出色。準備大學聯考的那年,父親慎重地表達對他的期待,但賴爸爸以一種溫柔的方式寄予厚望,每天都接送他上放學,賴以威笑說當時自己就像廢人一樣,「父親表達關心的方式,是盡可能幫我處理掉一些雜事,讓我能專心在唸書上,也因為這樣讓我覺得更應該要好好念書回應他」,於是他開始制定讀書規劃並紀律落實,重新把基本功打好,起初成績並無太多起色,但經過一學期的醞釀,最後大學聯考錄取了台大電機系。

內在的求知欲、外在的期待和眼光

作為一位擅長讀書的孩子,成長過程不免背負著家長和學校的高度期待,賴以威不諱言:「其實學生時期兢兢業業追求更好的課業表現,也是希望能夠滿足周邊大人們的期待,不想讓他們失望」,即使是一位盡力滿足大人期待的乖乖牌資優生,他也深知「樂於求知」的內在動機,才能一直支持他熬過伏案苦讀的聯考時光。

「我一直對求知很有興趣,遇到不懂就想要去搞清楚,喜歡把事情想透徹。當遇到數學問題,如果學到新方法,我會想要搞清楚為什麼,A 方法不能做嗎?一定要用 B 方法嗎?學到 C 方法,也會想著能不能用來解決過去碰到的問題。」看似活在他人的期待,但賴以威在學習、解題的過程,保有著自己的小叛逆!好奇、挑戰中得來的「融會貫通」,讓他發自內心獲得成就感,「把事情搞懂,對我來說是很有意義和開心的事情」!

賴以威認為「求知慾」是支持他撐過聯考時光的動力。 圖/envato.elements

數感爸爸,把數學帶進孩子的日常生活

在某個平凡日子,遠在德國當客座研究員的賴以威,突如其來的接到父親患肺腺癌末期的噩耗。

即使賴以威立刻飛回台灣陪伴爸爸,但一心只想把握僅剩時間的賴爸爸,仍持續不輟的為推廣趣味數學奔走,虛弱的身體終究不堪過勞,不到兩個月的時間即離開人世。

沒人接下賴雲台老師生前的重大託付,賴以威在父親離開後試著投入,沒想到從中做出興趣,也找到與爸爸連結的實感,於是他決定創立「數感實驗室」,繼承爸爸臨終前最用心投入的事 。

因為父親離開的突然,現在賴以威透過與孩子在一起的時光,把過去跟父親連結的吉光片羽找回來。

「寫作」一直是賴以威品嘗回憶、保存記憶和的方法,除了想念父親時書寫,現在他也在臉書上分享自己和孩子的日常互動、生活對話,其中四歲的二兒子「君君」有著極高的出鏡率,有位有問必答的數感爸爸,即使小小年紀,君君已經學會數數和基本運算。問起如何造就君君如此超齡的數學程度,賴以威分享:「關鍵在於把數學應用帶入孩子生活的大小場景」,每當孩子提出好奇和他討論,賴以威會反射性的將問題與數學連結,比如喜歡恐龍和太空的君君常常會突發奇想的問爸爸:「開車去月球要花少天?」、「木星和太陽誰大誰小?」,這些童言童語的問題,即使 Google 搜尋不到答案,父子倆也能藉由數學「自己算答案」。

人們喜歡把學過的、自己會的數學叫「常識」,沒有學過、不懂的數學叫「數學」

和以威老師談到四年一度「國際數學與科學教育成就趨勢調查 (TIMSS)2019」結果,台灣的孩子不管在數學、科學都名列前茅,學習的興趣及信心卻敬陪末座,賴以威說:「很多人不喜歡數學,是因為討厭數學課,而不是數學本身」,考試、代公式確實是數學的一部分,但不是數學的全部,科學也亦然。

「其實我們會的數學已經很多了,人們往往把數學想得太困難,與現實脫節」,數學無所不在,生活正應用著大量數學,如:買賣交易、存款、辦信用卡(基本運算、百分率、複利…等數學概念),然而這些生活中運用的數學,卻被自動化的被歸類於「常識」。

對於台灣教育的觀察與想法

這些年投入教育創新推動,賴以威認為現階段的台灣教育已明顯優於以往:「以前根本不會問小朋友喜不喜歡科學和數學,你先學就對了,到現在慢慢會強調孩子要有學習動機,關心他們喜不喜歡」,但賴以威深知,在升學主義的主旋律中,「學習動機」往往不是教育體制或家庭教育優先重視的部分,而我們都共同期待在未來的某一天「學習動機的重要性,將不再亞於學習知識本身」。

期待未來的某一天「學習動機的重要性,將不再亞於學習知識本身」。 圖/envato.elements

響應本次「LIS 第二季大科學計劃」,賴以威分享給我們的大科學人宣言:

❛❛ 如果人們不相信數學是簡單的,那麼他們只是不明白人生有多麼複雜。 ❜❜  ── 約翰.馮.諾伊曼

賴以威說:如果你是個大量使用數學的人,一定會知道「數學比起人生,簡單很多」,我們利用數學「探索知識」、「解決問題」,但現實世界中能真正被數學解決的問題還是有限,面對著未知的世界,數學能做到的僅僅是「預測」。

每個人天天面對著生離死別,即使有數學作為預測工具,仍得臣服於命運安排。

面對生命無常,現在賴以威更珍惜著每一刻與家人的平凡日子,在推廣趣味數學教育的同時,跨越時空和爸爸、孩子活在一起!

邀請您一同成為各行各業中的大科學人,您的捐款將支持「科學公益教材」的穩定開發,一起支持台灣科學教育,讓孩子從小開始像「科學家一樣思考」,帶著自信長大成為各行各業中「永保好奇」、「邏輯思辨」的大科學人!

【LIS 大科學計畫 ✦ 第二季】|​928 教師節暖心上線 ▸▸▸▸▸▸▸

❛ 教育不只是老師的事,這是我們的任務,下一個世代的科學史,現在就得開始寫起! ❜

每月小額捐款,就能支持全台十萬名孩子都期待的科學教材:https://bit.ly/3SUGyDO

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LIS_96
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LIS ( Learning in Science )情境科學教材,成立於2013年7月,是一個非營利組織,致力於為國中小自然教師及學生,設計有別於填鴨教育的科學教材,協助教師進行STEAM和科學素養導向的教學,讓教師更簡單地進行教學創新,幫助更多孩子找回對科學的學習動機,並培養解決問題的能力。 在 Youtube 頻道【LIS情境科學教材】上,我們會即時更新所有LIS教材的影片,而完整的教案、學習單,亦同步上傳於【LIS教材平台網】歡迎您前往瀏覽完整內容。