末日模擬！從氣候變遷到核戰爭，人類未來將走向哪個結局？

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

AI 與 GPU 的連結：為什麼 NVIDIA 股價一路飆？

2023 年至今，人工智慧（AI）熱潮引爆全球科技圈的競爭與創新，但最受矚目的企業，莫過於 NVIDIA。它不僅長期深耕遊戲顯示卡市場，在近年來卻因為 AI 應用需求的飆升，一舉躍居市值龍頭。原因何在？大家可能會直覺認為：「顯示卡性能強，剛好給 AI 訓練用！」事實上，真正的關鍵並非只有強悍的硬體，而是 NVIDIA 打造的軟硬體整合技術──CUDA。

接下來將為你剖析 CUDA 與通用圖形處理（GPGPU）的誕生始末，以及未來 NVIDIA 持續看好的量子計算與生醫應用，一窺這家企業如何從「遊戲顯示卡大廠」蛻變為「AI 世代的領航者」。

CPU vs. GPU：為何顯示卡能成為 AI 領跑者？

在電腦運作中，CPU（中央處理器）向來是整個系統的「大腦」，負責執行指令、邏輯判斷與多樣化的運算。但是，AI 模型訓練需要面對的是龐大的數據量與繁複的矩陣或張量運算。這些運算雖然單一步驟並不複雜，但需要進行「海量且重複性極高」的計算，CPU 難以在短時間內完成。

反觀 GPU（圖形處理器），原先是用來處理遊戲畫面渲染，內部具有 大量且相對簡單的算術邏輯單元。GPU 可以同時在多個核心中進行平行化運算，就像一座「高度自動化、流水線式」的工廠，可一次處理大量像素、頂點或是 AI 訓練所需的運算。這讓 GPU 在大量數值計算上遠遠超越了 CPU 的處理速度，也讓「顯示卡算 AI」成了新時代的主流。

顯示卡不只渲染：GPGPU 與 CUDA 的誕生

早期，GPU 只被視為遊戲繪圖的利器，但 NVIDIA 的創辦人黃仁勳很快察覺到：這種多核心平行化的結構，除了渲染，也能用來處理科學運算。於是，NVIDIA 在 2007 年正式推出了名為 CUDA（Compute Unified Device Architecture） 的平台。這是一套讓開發者能以熟悉的程式語言（如 C、C++、Python）來調用 GPU 資源的軟體開發工具套件，解決了「人類要如何對 GPU 下指令」的問題。

在 CUDA 出現之前，若要把 GPU 用於渲染以外的用途，往往必須透過「著色器語言」或 OpenGL、DirectX 等繪圖 API 進行繁瑣的間接操作。對想用 GPU 加速數學或科學研究的人來說，門檻極高。然而，有了 CUDA，開發者不需理解圖像著色流程，也能輕鬆呼叫 GPU 的平行運算能力。這代表 GPU 從遊戲卡一躍成為「通用圖形處理單元」（GPGPU），徹底拓展了它在科學研究、AI、影像處理等領域的應用版圖。

AI 崛起的臨門一腳：ImageNet 大賽的關鍵一擊

如果說 CUDA 是 NVIDIA 邁向 AI 領域的踏腳石，那麼真正讓 GPU 與 AI 完美結合的轉捩點，發生在 2012 年的 ImageNet 大規模視覺辨識挑戰賽（ILSVRC）。這場由李飛飛教授創辦的影像辨識競賽中，參賽團隊需要對龐大的影像數據進行訓練、分類及辨識。就在那一年，名為「AlexNet」的深度學習模型橫空出世，利用 GPU 進行平行運算，大幅減少了訓練時間，甚至比第二名的辨識率高出將近 10 個百分點，震撼了全球 AI 研究者。

AlexNet 的成功，讓整個學界與業界都注意到 GPU 在深度學習中的強大潛力。CUDA 在此時被奉為「不二之選」，再加上後來發展的 cuDNN 等深度學習函式庫，讓開發者不必再自行編寫底層 GPU 程式碼，建立 AI 模型的難度與成本大幅降低，NVIDIA 的股價也因此搭上了 AI 波浪，一飛沖天。

為什麼只有 NVIDIA 股價衝？對手 AMD、Intel 在做什麼？

市面上有多家廠商生產 CPU 和 GPU，例如 AMD 與 Intel，但為什麼只有 NVIDIA 深受 AI 市場青睞？綜觀原因，硬體只是其一，真正不可或缺的，是 「軟硬體整合」與「龐大的開發者生態系」。

硬體部分 NVIDIA 長年深耕 GPU 技術，產品線完整，且數據中心級的顯示卡在能耗與性能上具領先優勢。軟體部分 CUDA 及其相關函式庫生態，涵蓋了影像處理、科學模擬、深度學習（cuDNN）等多方面，讓開發者易於上手且高度依賴。

相比之下，雖然 AMD 也推行了 ROCm 平台、Intel 有自家解決方案，但在市場普及度與生態支持度上，依舊與 NVIDIA 有相當差距。

聰明的管理者

GPU 的優勢在於同時有成百上千個平行運算核心。當一個深度學習模型需要把數據切分成無數個小任務時，CUDA 負責將這些任務合理地排班與分配，並且在記憶體讀寫方面做出最佳化。

• 任務分類：同性質的任務集中處理，以減少切換或等待。
• 記憶體管理：避免資料在 CPU 與 GPU 之間頻繁搬移，能大幅提升效率。
• 函式庫支援：如 cuDNN，針對常見的神經網路操作（卷積、池化等）做進一步加速，使用者不必從零開始撰寫平行運算程式。

結果就是，研究者、工程師甚至學生，都能輕鬆把 GPU 能力用在各式各樣的 AI 模型上，訓練速度自然飛漲。

從 AI 到量子計算：NVIDIA 對未來的佈局

當 AI 波浪帶來了股價與市值的激增，NVIDIA 並沒有停下腳步。實際上，黃仁勳與團隊還在積極耕耘下一個可能顛覆性的領域──量子計算。

2023 年，NVIDIA 推出 CUDA Quantum 平台，嘗試將量子處理器（QPU）與傳統 GPU / CPU 整合，以混合式演算法解決量子電腦無法單獨加速的部分。就像為 AI 量身打造的 cuDNN 一樣，NVIDIA 也對量子計算推出了相對應的開發工具，讓研究者能在 GPU 上模擬量子電路，或與量子處理器協同運算。

這項新布局，或許還需要時間觀察是否能孕育出市場級應用，但顯示 NVIDIA 對「通用運算」的野心不只停留於 AI，也想成為「量子時代」的主要推手。

AI 熱潮下，NVIDIA 凭什麼坐穩王座？

回到一開始的疑問：「為什麼 AI 熱，NVIDIA 股價就一定飛？」 答案可簡化為兩點：

1. 硬體領先 + 軟體生態：顯示卡性能強固然重要，但 CUDA 建立的開發者生態系才是關鍵。
2. 持續布局未來：當 GPU 為 AI 提供高效能運算平台，NVIDIA 亦不斷將資源投入到量子計算、生醫領域等新興應用，為下一波浪潮預先卡位。

或許，正因為不斷探索新技術與堅持軟硬整合策略，NVIDIA 能在遊戲市場外再創一個又一個高峰。雖然 AMD、Intel 等競爭者也全力追趕，但短期內想撼動 NVIDIA 的領先地位，仍相當不易。

未來，隨著 AI 技術持續突破，晶片性能與通用運算需求只會節節攀升。「AI + CUDA + GPU」 的組合，短時間內看不出能被取代的理由。至於 NVIDIA 是否能繼續攀向更驚人的市值高峰，甚至在量子計算跑道上再拿下一座「王者寶座」，讓我們拭目以待。

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環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會，歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與，徵件簡章及更多相關資訊可至環保局官網或「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站查詢。

※ 5/24 徵件線上說明會報名網址：https://reurl.cc/Ke0gQn
※ 環保局官網簡章：https://www.epd.ntpc.gov.tw/Article/Info?ID=11254
※ 「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站：https://greenage2024.com

本文轉自新北市政府環境保護局網站