【智活星期二】林正敏 :「拈花惹草。玩竹編。談數位創意」

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。

• 陳瀅州／國立陽明交通大學生命科學系暨基因體科學研究所助理教授

這幾年在大學教書，每逢金秋十月的諾貝爾獎季節，整個校園都彌漫著一股躁動與期待。尤其在生理醫學獎、物理學獎和化學獎公布前夕，各種猜測和傳聞紛紛出現，談論著獎項可能頒給合成生物學領域。這些傳言不僅在學生和老師之間流傳，甚至吸引了媒體的關注。有幾次，校方和記者會提前找到我，希望從我這打著合成生物學旗號的研究學者得到一些線索或看法。這樣的情境不僅凸顯了合成生物學在科學界的日益重要性，也充分反映了合成生物學打破學科界限，跨越不同領域的研究。事實上，合成生物學不僅僅在健康醫療領域取得進展，其創新技術和理論已悄悄滲入到每個人的日常生活中，包括永續環境、智慧農業、奈米科技，甚至是政府政策與法規的擬定，展現真正的跨領域合作。

二○二三年三月，美國白宮科學和技術政策辦公室公布了對生物技術的未來展望，明確標示出合成生物學在全球科學發展的關鍵角色，從氣候變遷到供應鏈韌性、從農業創新到人類健康，合成生物學的影響與應用已無所不在。而美國並非唯一看到這趨勢的國家。近年來，中國將合成生物學列為其戰略前瞻性重大科學領域和重點發展生物技術，反映出中國對於這門學科的高度重視。同時，在台灣，國家發展委員會近年也積極推動與合成生物學相關的研發策略，融入其六大核心戰略產業和五加二產業創新計畫中。這些策略決策不僅展現了各國政府對合成生物學的信心，也凸顯了它在全球科技發展中的核心地位。

當我們邁入二十一世紀，面對合成生物學這一革命性的學科成為我們日常生活中不可或缺的一部分，我們首先要回答的問題是：合成生物學到底是什麼？它為什麼如此重要，以至於受到如此多的關注和期待？合成生物學結合了生物探索、工程設計和跨領域的技術應用，致力於發展和構建新的生物系統。與傳統的基因工程不同，傳統的基因工程技術主要著重於研究及修改基因，從而修補或增強基因的某些功能。然而，合成生物學的範疇遠不止於此。

合成生物學的目標是全面理解生物系統的工作原理，並根據這些知識重新設計和構建具有特定功能的生物機器。它不只是在既有的生物框架上進行微調，還可以從零開始，系統性地設計和構建全新的生物系統。由於需要將複雜的生物元件進行重組和調控，近年結合人工智慧，使科學家能夠更精準地預測、模擬和控制生物系統，這是傳統基因工程難以實現的。這其中的挑戰遠超我們的想像，但所帶來的可能性也是前所未有的。

舉例來說，在精準醫療領域中，合成生物學已經開發出能夠生產新型藥物、治療遺傳性疾病，甚至對抗癌症的智慧細胞。在環境保護領域，我們可以設計微生物來處理汙水、減少溫室氣體排放或修復受汙染的土地。在農業上，合成生物學提供了更為高效、節水、高產的作物品種，這對於食品安全和全球糧食問題都具有深遠的意義，而這只是冰山一角。隨著技術的發展和研究的深入，合成生物學將在未來幾十年內帶來更多創新和驚喜。不難想像，在不遠的將來，我們的生活、工作甚至教育都將深受其影響。

合成生物學的發展確實為人類打開了無數的可能性，從創造具有特殊功能的生物，到解決困擾已久的醫學難題。但與此同時，我們也不能忽略合成生物學帶來的挑戰和風險。例如，如何確保這些被重新設計的生物體不會對環境和人類健康產生意想不到的影響？我們應該如何看待和處理因基因修改而產生的生物機器？這些問題需要我們集體思考和探索，並與各領域專家共同合作，確保合成生物學的發展能夠真正造福人類。

在課堂教授合成生物學時，我常以電影《侏羅紀公園》的離氨酸權變（lysine contingency）帶領學生反思當科技進步與人類控制意願之間出現衝突時可能會發生的事情。在侏羅紀公園中，為了防止恐龍逃出公園威脅全球生態系統，科學家亨利．吳（Henry Wu）進行了基因改造，使得恐龍無法製造其中一種必須氨基酸離氨酸（lysine）。此設計的初衷是讓恐龍只能依賴公園提供的離氨酸食物，進而防止它們逃離公園。這是一種典型的「安全措施」，旨在確保基因改造生物不會帶來無法預料的風險。然而，正如影片中所呈現，這種所謂的「完美」控制計畫卻遭遇了意外。雖然恐龍依賴離氨酸來生存，但它們找到了其他途徑來獲取這種氨基酸，這意味著即使在有限的條件下，生命也會找到生存下去的方法。

這故事讓我們明白即使是最先進的技術，也不能保證完全的控制。當我們嘗試限制和控制生物，自然界總是有其應對方式。這對於合成生物學家來說是一個警示，因為我們在改造生命的過程中，必須充分考慮到潛在的不確定性和風險。面對快速進步的科技，我們必須問自己：我們是否真的準備好面對所有潛在的後果？在追求科學進步的同時，我們也應該謹慎行事，確保我們的決策不僅是基於技術的可能性，還要考慮到其對生態和人類社會的影響。

對於熱愛科學的我們來說，這是一個充滿機會的時代。每一次的科技進步都驗證了人類的智慧和創造力。透過這本書，我相信讀者將更深入地認識和理解合成生物學，體會其獨特魅力及即將面對的挑戰。我期望這本書能夠鼓勵大家抱持開放、謙虛且謹慎的態度面對科技的發展。同時，希望此書能激發更多人對科學和未來進行深入的思考，並鼓勵大家投入合成生物學的創新研究和人才培育之中。

——本文摘自《未來的造物者》，2023 年 11 月，臉譜出版，未經同意請勿轉載。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《人工智慧讓羽球訓練更聰明！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

「啪！」「啪！」在臺南新豐高中的羽球場上，球拍強力揮擊的聲響不絕於耳，幾位選手正奮力廝殺著。但這場羽球賽有點不同，因為旁邊還架著一具電視螢幕，而選手手上的球拍也不太一樣。練習賽結束後，教練與選手聚集在螢幕前，對著螢幕上的揮拍速度、爆發力指數等數據，熱烈地討論了起來。

會出現這麼特殊的景象，是因為新豐高中的羽球隊從去年（2019年） 5 月起，開始做為科技部計畫「從中樞系統建構雲端 AI 運動訓練歷程分析與疲勞診斷系統：以羽球項目為例」（以下簡稱「AIOT 智能羽球訓練模式」）的實驗基地，而這個計畫由成功大學體育健康與休閒研究所特聘教授蔡佳良領軍，希望利用人工智慧，將羽球的訓練科學化，達到最有效精準的訓練效果。

這項計畫包含五個部分，包括智能球拍、智能手錶、高速攝影動作捕捉，以及雲端 AI 運算中心和顯示各項運動與生理數值的 APP。智能球拍、智能手錶、高速攝影負責收集運動資訊，將資訊以 Wifi 網路上傳到雲端的 AI 運算中心計算後，結果呈現在電腦螢幕及專用的手機 APP 上，讓教練與選手一目了然。 

 計畫中使用的雲端計算中心是成大電機系教授王振興所主持的人工智能數位轉型研究中心 ，智能球拍、手錶等裝置不斷上傳的資料，會持續訓練 AI 演算法自身，讓演算法變得愈來愈精準。

為了讓訓練過程面面俱到，蔡佳良組了一支跨領域的「黃金陣容」，除了專研腦波與眼動的自己外，還找了工程專業的成大電機系教授王振興、負責 AI 演算法的逢甲大學自動控制工程學系副教授許煜亮、專研運動傷害的成大物理治療系副教授蔡一如，每位成員的專業領域都不一樣，在計畫中各司其職。

聰明的智能球拍

計畫中的一大重點，就是選手手上那支「智能球拍」，它可以收集選手的揮拍力道、轉動角度等數值，經過計算後，能知道揮拍速度、軌跡，還能分辨出九個不同的球種，這是因為球拍的握把中藏了一個感測晶片。

在握把中放入感測晶片就能做到，聽起來很容易，但在羽球拍上卻沒那麼簡單。蔡佳良說：「羽球選手對球拍的重量可是很要求的，一般選手使用的球拍大約 80 幾克，重一點輕一點，手感就差很多了。」而一個晶片動輒 10 幾克，直接放上球拍，不但影響重量，還改變了球拍的重心位置，「這樣的球拍沒有人會想用。」蔡佳良說。

後來，蔡佳良找了勝利體育公司合作，在以碳纖維為材料的握把中納入晶片，並盡量減少晶片重量，才做出了目前的智能球拍。蔡佳良說：「不過我們還是想再縮小晶片的重量，看看是否能讓晶片的電池小一點，希望能將球拍再減少 5 公克左右。」

你累了嗎？疲勞狀態對訓練來說很重要！

有了能收集選手打球狀況的智能球拍還不夠，蔡佳良還希望能將選手的「疲勞狀態」也納入訓練的參考，這也是接下來 AIOT 智能羽球訓練模式的發展重點。

蔡佳良與蔡一如指出，疲勞分成「中樞神經疲勞」與「周邊神經疲勞」，中樞神經疲勞反應在腦的專注力、心理上的鬥志等，例如比賽時間過長，或是選手心態上已經認輸等，這可以從選手的腦波及眼動訊號來判斷；而周邊神經疲勞則反應在肌肉的動作，例如選手的移動腳步可能變慢、揮拍動作變小等。此外，長時間受訓練的選手也可能慢性疲勞，儘管身體好像沒怎麼樣，但可能一早起床就覺得特別累，不想練球等。

分析選手的疲勞狀態，還可以進一步預防選手受傷，在選手有一點點受傷徵兆時，例如動作稍微改變時，就及時察覺，讓選手休息或就醫，這對於延長選手的運動生涯來說是很重要的。

你的疲勞，AI 比你先發現

為了偵測選手的肌肉疲勞狀況，重建選手的動作也是這次計畫的重點之一。蔡佳良說：「一般來說，我們是用『光學式動作捕捉系統』來重建選手的運動姿態。」這是一套專門的系統，選手的身上會貼滿光點，由四面八方的攝影機拍攝光點的移動，來重建選手動作。「不過這套系統太昂貴了，」蔡佳良說：「因此我們希望用一般的高速攝影機來取代。」方法是先以光學式動作捕捉系統找出界定選手疲勞與否的標準（稱為黃金標準），再將黃金標準與高速攝影機的影像共同輸入電腦，訓練電腦以高速攝影機的影像重建選手動作，並判別選手疲勞狀態。

 蔡佳良補充說：「等到我們把高速攝影機這一塊做起來，就會推廣到一般球館。」換句話說，未來一般民眾在運動中心等球館打球時，或許就能透過場館附設的高速攝影機，看見自己的動作及打球狀態，雖然不是職業選手，也可以研究自己的動作，享受運動科技帶來的好處。

智能手錶則由選手整天佩戴著，記錄選手日常的心跳及睡眠狀態，教練可以據此觀察選手生理狀況，也能輔助判斷疲勞狀態。計畫中使用的智能手錶由王振興研發，蔡佳良表示：「我們自己研發而不採用市面上的手錶，這樣可以依據我們的需求來收集資訊，也可以避免個資外洩的問題。」 

至於中樞神經的疲勞，可以透過腦波與眼動的狀態來發現，這也是蔡佳良的研究專長。但是蔡佳良說：「我們若要收集這些訊號，得讓選手戴上特製眼鏡，並在頭上貼特殊的貼紙，這會對選手打球造成影響。」因此，蔡佳良希望先將腦波及眼動的訊號，和智能球拍的感測訊號做連結，找出彼此的關聯，建立一個演算法，再將這個演算法寫入智能球拍的晶片中，「如果我們的演算法夠強，球拍感測訊號與腦波、眼動的關聯準確性夠高，就能直接從球拍的訊號，計算出選手的中樞神經疲勞狀況。」

學術與運動的跨領域溝通

AIOT 智能羽球訓練模式發展到目前的階段，已經可以從智能球拍的訊號，計算出個別選手的最快揮拍速度、最大擊球力道，以及爆發力、攻擊力、反應力等指數，蔡佳良笑說：「我們和教練也有一段磨合的過程，因為我們做研究的，想的都是怎樣的數據合適發表，卻不一定是教練真正需要的。」

 新豐高中羽球隊的教練李宜勳也對此舉例：「一開始蔡教授的團隊提供過一個數據叫做『積極度』，判別的方式就是一場雙打比賽中擊球次數多的，就是比較積極。可是事實上，我們比賽的時候，會故意將球打給比較弱的選手，所以他們的擊球次數自然比較多，這不代表他們比較積極。」

不過，李宜勳認為將 AIOT 智能羽球訓練模式納入訓練，對選手的練習的確有幫助，「有時候教練說破了嘴，還不如數據直接攤開來看。」李宜勳笑說。看到明確的數據，選手之間也會有正向競爭，覺得不想輸給同儕，對於自己的動作或缺點也有更明確的認識。

運動訓練科學化

儘管 AIOT 智能羽球訓練模式還未真正完成，但蔡佳良對於這項研究的未來發展深具信心，他說：「我們的研究成果在其他有球拍的運動上都可以應用，例如網球。」

蔡佳良並且認為，運動科技的蓬勃發展下，未來的運動訓練一定也都會走向科學化。「其實我一開始做運動科學時，接觸過一些國家級的教練，他們對運動科學有點排斥，認為運動科學發展起來之後，會搶了他們的教練工作。但其實運動科學只是用數據輔助訓練，真正的訓練專業還是在教練身上。」蔡佳良希望現在還在起步階段，就有機會經歷科學訓練的選手，未來若是成了教練，可以經由自己的經驗，明白如何運用科技，讓訓練變得更有效率。

「我們還希望我們的成果也能普及到一般民眾，因為運動科學的市場是很大的。」蔡佳良希望將智能球拍研發完整後，普及到一般運動用品店，讓民眾也能買來使用。他說：「即使是一般民眾，若能看看自己今天打球的狀況，也是很好玩、很有趣的事情。我相信會有人想買這種智能球拍的。」