科學研究者的「實驗室人生」

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。

在某個燠熱難耐的夏日午後，你打開電風扇，卻發現吹出來的風好像比印象中來得小。你眉頭一皺，覺得案情並不單純。就在走近電風扇的那幾步裡，好幾種可能性閃過心頭：

「會不會是按錯按鈕了？」、「會不會是扇葉太髒了？」、「會不會是轉軸黏住了？」、「會不會是⋯⋯？」這些猜想背後，都是根據你對電風扇原理的一些些認識才會做出的假設。

在提出疑問和假設之後，尋找問題的答案

靠近電扇之後，你看到按鈕確實是按下了「強」。接著你切斷風扇電源，看了看扇葉，發現確實有點髒，於是把電風扇拆洗後裝回去，再按下按鈕。結果風吹起來，就如同你印象中的那麼涼了。這證實了你的第二個猜想，並且解決你所關心的問題。

上述這樣的過程，其實就是「察覺差異，提出問題」、「根據理論，連結現象」、「提出假設，進行驗證」、「預測結果」等等的探究過程。

再舉個例子。

我有一天走在馬路上，看到白色分隔標線的一端閃著黃色的光。我心想：「難道馬路地上埋了一顆黃色的燈？是要作為交通警示用途嗎？」

我覺得奇怪，記得前幾天沒看到這裡有燈。接著我把視野放大，往左往右看了看周圍。發現有一台車停在遠處，車頭開啟方向燈，燈是黃色的，而且還在閃爍。然後我馬上注意到，兩者閃爍的頻率是相同的。

於是我有了新的猜想：「地上的神祕閃光，非常可能來自於汽車閃爍的方向燈的反光。」

但是柏油路面怎麼會反光呢？

仔細一看，地上似乎有一小灘水。汽車的方向燈發出來的光，剛好通過那一小灘水的反光進到我眼睛，讓我覺得地面在發光。接著馬上一台車經過，就擋在方向燈和積水的中間。我看到的亮光馬上消失，證實我的第二個猜想是正確的。

「哪裡怪怪的」這個念頭，會帶領我們尋找答案

像這樣的心智活動，在我們的生活中無時無刻都在進行著。只要我們發現「哪裡怪怪的」，腦袋幾乎就會立刻啟動探究的機制：

• 廚房怎麼那麼多螞蟻？（察覺問題）
• 是不是有食物殘渣沒有清理乾淨？（根據理論提出假設）
• 仔細觀察一下，發現⋯⋯（得到結論）

既然這些能力是我們原本就自然會的，那又為什麼要學呢？因為我們雖然很習慣對於意料之外的事情展開探索，但是以直覺來進行思考及解決問題的方式，往往並不太科學。

古人說的「地牛翻身」，其實也是一種探究的精神

古人在觀察自然現象的時候，會提出自己的解釋。例如面對地震的時候，台灣民俗的說法是「地牛翻身」，日本民俗的說法則是「棲息在地底的大鯰魚搖動身體」；至於日食在中國的傳說中是「天上的狗把太陽吃掉了」。

於是後人也會根據這些「理論」來規劃解決問題的方法。例如，綠島人認為地牛不只一隻，還會彼此打架，所以地震時要敲打金屬臉盆來分開牠們；同樣的，古時候的中國人看到日食，也會敲鑼打鼓、放鞭炮來趕走天狗。

有趣的是，根據這些「理論」採取的「實驗」，還真的每一次都會成功喔！一代又一代的人反覆進行著下圖這樣的實驗，所以千年來人們始終對這些「理論」深信不疑。

如果你是一位受過基礎科學教育的公民，這時候可能就會提出質疑，認為這樣的實驗並沒有對照組。

例如下一次出現日食的時候，如果不要敲鑼、打鼓、放鞭炮，日食是不是也會結束？如果不這麼做，日食仍然會結束的話，那麼用敲鑼打鼓的方式趕走天狗的假說就會受到挑戰了。

當然，在一個深信天狗傳說的社會中，沒有人會膽敢拒絕敲鑼打鼓，不然萬一太陽真的就被吃掉而永遠消失了，這責任誰負擔得起？用這個角度來看會發現，有時候要突破傳統，其實是一件非常困難的事情。

恐懼源自於未知：想消除恐懼，需要探究未知

人對於未解的現象，往往會用隨意的想像與歸因來尋求解釋，用很直覺的方式來建立對自然現象的理解，也是人類天生的習慣。

直到距今兩千六百多年前，古希臘哲學家泰利斯才撥開直覺的迷霧，主張應該拒絕再用人格化的神祇來解釋自然現象，而是要藉由理性的假說來理解和解釋自然現象。但即使西方在兩千六百多年前已經出現這樣的思想，但近代科學真正臻至蓬勃發展，還是近半個世紀內的事情。

正由於科學的研究和思考方法並不直覺、並不符合人類的天生習慣，所以必須透過後天的教育與訓練，才能慢慢熟練並妥善運用在生活之中。

雖然探究是我們的天性，但是具有科學素養的探究卻不是天性，無法一蹴可幾。就像科學家需要訓練有素的探究技術，才能做好自己的研究。

一般公民也需要具備科學探究的素養，來幫助自己在面對生活中諸多不熟悉的現象時，能運用一套思考和研究的方式來做判斷，特別是幫助我們更加注意到生活中不尋常的現象，能對許多直覺、缺乏事實支持的歸因有更高的警覺。

正因為我們的生活離不開探究，所以更應該透過學習來提升探究品質。這正是國民教育自然課程中所應教會每個公民的事情。

——本文摘自《教出科學探究力》，2021 年 8 月，親子天下 ，未經同意請勿轉載。

• 本文與台灣科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《「研究使用血液快速評估人體對新冠病毒的細胞免疫力」專家意見》
• 資料更新至 2022 年 6 月 14 日，完整文章請見上方連結

最近，國際期刊《自然生物科技》（Nature Biotechnology）發表研究，發現透過血液的 PCR 定量技術，加以分析與「Ｔ細胞免疫」反應有關的細胞因子「CXCL10」在血液中的濃度，可以有效反映出Ｔ細胞對新冠病毒（SARS-CoV-2）的免疫反應程度和持續時間，未來將有助於評估疫苗追加接種的優先策略。

體液免疫力 vs 細胞免疫力

台灣大學醫學院醫學檢驗暨生物技術學系副教授 蘇剛毅 說明：這篇發表在 Nature 子期刊：《自然生物科技》的研究，建立一套量化的「趨化激素」（chemokine）：CXCL10 訊息核糖核酸（mRNA）的快速檢測技術，來判定個體對於新冠病毒感染保護性的細胞免疫能力（cellular immunity），進而預測是否可能發生再感染的風險。

CXCL10 是一個受到新冠病毒感染後，抗原特異性Ｔ細胞釋放「伽瑪干擾素」（IFN-g）去刺激單核細胞（monocyte）產生的一種趨化激素，可評估個體在保護性的細胞免疫能力。

國立陽明交通大學臨床醫學研究所副教授 陳斯婷 表示：自新冠肺炎疫情延燒至今，對於免疫力的理解大多數屬於「體液免疫力」，亦及抗體產生及其中和性的效價。然而適應性的免疫力，包含細胞免疫力以及體液免疫力，兩者協力方可徹底清除病原菌感染，以及提供完整的記憶型免疫力。

由於體液型免疫力的分析方式較為單純，且所耗費的經費以及分析的技術門檻較低，僅使用血清及蛋白質抗原便可完成分析，因此是研究之初各單位爭相開發的分析模式。相反的，細胞型免疫力因為牽涉複雜的Ｔ細胞作用機制、預測蛋白質抗源的專一性，以及分析儀器的高度研究門檻，眾多原因使得相關的研究進展較為緩慢。

蘇剛毅副教授 認為，本研究重要性在於，有別以往是偵測病毒相關抗原、抗體、核酸，更進一步了解個體本身對抗病毒的免疫能力，除了有助了解本身抗病毒能力與感染風險外，亦可幫助疫苗施打策略以及評估追加劑的必要性。而隨著病毒變異株陸續產生，這也有助我們了解，感染後康復或接種疫苗者，對這些變異株是否仍具抵抗力。

研究過程是什麼？

先前 2020 年 11 月，南非的研究團隊率先發表研究，以 SARS-CoV2 相關蛋白質刺激受試病患的血液樣本，再以高階的細胞分析儀器（高階多色流式細胞分析儀），找出血液中針對新冠病毒的Ｔ細胞活化的標幟，並以新冠病毒檢測陽性之病患與健康的人交叉比對，確認可成功分析有 SARS-CoV2 專一性的活化型Ｔ細胞群^[1]。

2022 年 6 月，紐約西奈山伊坎醫學院團隊的發表文獻，主要是採用上述團隊利用血液樣本的方式分析特定Ｔ細胞活化的標幟，但是分析Ｔ細胞活化的方式改用行之有年的一種快速的定量 PCR 方法，合併分析共同存在血液中的另一種免疫細胞（單核球）的特定基因表現（CXCL-10），此特定基因表現量會受到Ｔ細胞活化後產生的訊息（第二型干擾素）所調節，因此當共同存在血液中的免疫細胞接收到Ｔ細胞活化釋放出的訊息後，會讓此特定基因表達增加。因此團隊先透過分析各組別中血液的基因相關檔案，挑出這基因做為Ｔ細胞活化的替代標幟。

這個基因標幟在免疫學中並不陌生，但是團隊從各種 COVID19 病人及疫苗注射後的健康族群採樣，以上述方式分析後，得到這個具有統計意義的交集。團隊有鑒於此方法可能在專一性及敏感度稍嫌不足，因此也將測試結果與其他傳統的分析方式進行比較。

結果顯示，快速測試特定的標幟基因，與傳統方法分析Ｔ細胞的敏感度及專一性相當接近。

這種檢測方法有風險嗎？

陳斯婷副教授認為：

• (1) 本研究雖然使用血液檢體，但仍必須經過傳統的Ｔ細胞活化流程後，包含後續的定量 PCR 分析，耗時大約兩個工作天。
• (2) 用極少量的血液（2 uL）且不抽取 DNA，直接定量分析，在台灣的檢驗量能及學術單位並不普遍，若想開發仍必須熟練此技術的操作。
• (3) 利用其中一種免疫細胞的基因表現，間接做為Ｔ細胞活化的替代性指標，若遇到Ｔ細胞活化的反應不明顯時，可能會呈現誤差，不如單純分析Ｔ細胞來得精準。
• (4) 每一種蛋白質抗原由特定分子較小的胜肽所組成，會引起特定的Ｔ細胞反應，但這些胜肽片段都是經由電腦模型模擬預測並經過實際驗證後才能得知，才有助分析專一性Ｔ細胞的免疫力，而不是直接從現有資料庫就可以得到。

蘇剛毅副教授則表示，這篇研究結果確實可以輔助醫師、感染者甚至衛生主管單位在治療與防疫上的策略。但我們也必須要了解幾件事：

• 人體免疫系統受到任何內在、外在的刺激時，本來就會產生許多分子去因應，雖本研究是利用新冠病毒的「特異性抗原」誘發免疫系統，但研究中觀察Ｔ細胞是出的細胞因子「伽瑪干擾素」與單核細胞細胞因子「CXCL10」並非只受到新冠病毒刺激才產生，本研究並沒有評估新冠病毒以外的感染源或其他生理病徵影響。因此在臨床應用上，需要考量受測者的背景因素甚至疫情發展。
• 免疫反應伴隨的「細胞激素」或「趨化激素」，在數量上都需要受到適當調控，過多或過少都會造成身體的傷害，如果本研究在數量上面可以進一步探討決策閾值的問題，將更有應用性
• 本研究應用主要仍在輔助性評估，對於防疫與治療而言，還是需要遵照常規病毒檢測、生活防疫、疫苗接種等措施。

研究原文

• Schwarz, Megan., et al. (2022) “Rapid, scalable assessment of SARS-CoV-2 cellular immunity by whole-blood PCR.” Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/s41587-022-01347-6

參考文獻

• [1] Riou, C., Schäfer, G., du Bruyn, E., Goliath, R. T., Stek, C., Mou, H., Hung, D., Wilkinson, K. A., & Wilkinson, R. J. (2022). Rapid, simplified whole blood-based multiparameter assay to quantify and phenotype SARS-CoV-2-specific T-cells. The European respiratory journal, 59(1), 2100285. https://doi.org/10.1183/13993003.00285-2021