技壓狗鼻－奈米晶片「聞」炸彈

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。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

奇幻故事中常見的魔法石可以輸出源源不絕的能量，其實在現實生活中的 20 世紀末期，人類真的發明了魔法石！

想像一下，手機開啟視訊，可以看到遠方的景色和親友，這不就像遙視、千里眼嗎？或者問 AI 上網查資料，就像內建大賢者。連開手電筒都像是探索地底迷宮的照明法術一樣！這些譬喻讓我們意識到，許多看似理所當然的科技實際上就像魔法一樣神奇。

晶片的原理

晶片進行的是邏輯運算，就像我們做的數學計算一樣。它裡面有許多微小的電子元件，類似於樂高積木一樣，用來進行各種運算。過去的電子元件是大型真空管，後來發明了電晶體，但仍需大量使用。直到有人提出了積體電路的概念，將許多電晶體整合在一起，這才開啟了晶片時代。

從真空管到奈米晶片，科技的進步無所不在。現代的魔法石就是這些晶片，它代表著工程師的智慧和創造力。科技或許是一種新型的魔法，由無數工程師代代相傳，用理性和創意塑造出來。所以，現代的魔法並非來自大自然或神秘的力量，而是來自人類的智慧和努力。

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時年 24 歲的難民 Anis Amri，與聖戰組織關係密切，並擁有 6 個化名和 3 種國籍。2016 年 6 月，他的庇護申請遭到德國政府拒絕，卻又因為家鄉突尼西亞否認其公民身份，所以無法被遣返。 ^[1] 12 月 19 日，Amri 持槍射擊 1 名司機，把對方扔到副駕駛座，改由自己開車。當天 08：02 p.m.，他駕著該輛 40 噸重的聯結車，以 60 – 70 km/hr 的速度，直搗柏林 Breitscheidplatz 聖誕市集的中央通道。^[2]

08：45 p.m. 柏林州立刑事調查辦公室調度中心的鑑識團隊，^[註]在待命時接獲通報。依常規他們僅會派出 2 名人員；不過這回事態嚴重，被要求增加人力。^[2]

09：30 p.m. 由 2 名鑑識專家和3名助理醫師所組成的團隊，抵達聖誕市集。此時距離事件發生，約過了 90 分鐘，傷患急救與運送皆已完成。比起醫療支援，顯然更需要警察深入調查。^[2]

12 月 20 日，01：00 a.m. 警方在規劃管理架構後，展開搜證：現場被分為 5 大區域，每區負責的團隊，有刑案攝影師、鑑識病理學家、證物保管員與兇殺案調查員各 1 名。他們在市集的中央通道上與聯結車底下，各尋獲幾具屍體。此外，有 3 名稍早送醫的重傷受害者，於當晚死亡。^[2]

之前急救人員在處理傷患的時候，從聯結車裡把原本的司機拖出來搶救，可惜後者傷重不治。現在調查展開了，他們向警察報告司機的頭部受傷，而該傷口稍後又被確認為槍傷。這個發現立刻將警方的偵辦方向，由交通意外，扭轉成恐怖攻擊。^[2]

驗屍

從 20 日早上到 22 日傍晚，此案的所有死屍都被檢驗一番。除了司機頭部的槍傷；以及解剖才會看到內臟毀壞，常出現於交通事故的鈍器損傷（如上圖）；^[2]還可見皮下組織與下面的筋膜，被外力錯開的「Morel-Lavallée 病灶」（Morel-Lavallée lesion，簡稱 MLL）。^{[2, 3]}

車輛恐攻

以大型車輛進行恐怖攻擊的手法，並不罕見。車輛恐攻（vehicle-ramming attacks）造成傷害的機制，大略可分為以下 4 種：

1. 直接碰撞：受害者通常會有多處骨折，以及嚴重的顱腦損傷。^[2]視速度而定，也可能因為驟然停止運動，而使內臟在體內劇烈撞擊，導致減速傷害（deceleration injuries）。^{[2, 4]}
2. 撞飛出去：人體遭車輛衝擊，彈出去後，又掉落下來。不僅有撞擊的力道，砸在地面上，也會令四肢骨折，或腦部受傷慘重。^[2]
3. 輾壓損傷：沉重的車輛從人體上方駛過，於是骨骼碎裂，組織滑脫分離。^[2]
4. 間接創傷：受害的群眾在閃避車輛攻擊的過程中，彼此碰撞或擠壓，甚至在逃離時波及路人。^[2]

在這個案件裡，驗屍所見的傷害均為前三項，沒有任何的間接創傷。^[2]不過，是否有生還者屬於第四種，就不得而知了。

聖誕市集是德國的歲末傳統之一，^[5]難免人潮擁擠。案發當天雖然是星期一，但包含聯結車司機在內，Amri 總共造成 12 人死亡，^{[1, 2]}數十人受傷。^[1]恐怖組織伊斯蘭國（ISIS）稱他是一位戰士。事後 Amri 逃離德國，悄悄地經由法國，進入義大利。12 月 23 日早晨，2 名米蘭警察例行臨檢，要求 Amri 提供身份證件。他突然拔槍射傷其一，隨後馬上被另個員警擊斃。^[1]

約莫在恐攻落幕 7 週之後，2017 年 2 月，柏林消防局舉辦了一場給救災人員與警察的座談會，名稱取作「習得的教訓」（Lessons Learned）。內容討論急診醫療、警方策略，以及驗屍結果等諸多層面。他們認為從波士頓、巴黎、馬德里和孟買學來的重大傷亡經驗，被證實對這次的應變極有助益。儘管德國鮮少遇到恐怖攻擊，但警察、消防與鑑識等單位合作無間。^[2]

延伸閱讀

國殤之後：集體哀慟的調適

鑑識故事系列：萬聖節前夕的瑞典校園血案

備註

德國首都柏林的確是個「城市」，然而在行政上也被官方視為一「州」。^[6]

1. Barajas J. (23 DEC 2016) ‘Berlin attack suspect killed in shootout with Italian police’. PBS News Hour.
2. Buschmann C, Hartwig S, Tsokos M, et al. (2020) ‘Death scene investigation and autopsy proceedings in identifying the victims of the terror attack on the Breitscheidplatz in Berlin 19th December 2016’. Forensic Science, Medicine, and Pathology, 16, 510–514.
3. Scolaro JA, Chao T, Zamorano DP. (2016) ‘The Morel-Lavallée Lesion: Diagnosis and Management’. Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons, 24 (10): 667 – 672.
4. Dumovich J, Singh P. (19 SEP 2022) ‘Physiology, Trauma’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
5. Larsen T. (2020) ‘Advent’. In The Oxford Handbook of Christmas. Oxford University Press.
6. ‘Government and administration.’ Berlin Partner Business Location Center. (Accessed on 09 NOV 2022)