從牧羊犬的撇步學習如何移動大量人潮

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。

英國倫敦政經學院的 Rosalind Arden 和愛丁堡大學的 Mark James Adams，設計出了 IQ 測驗來量化狗的 IQ。他們針對 68 隻來自威爾斯農場的邊境牧羊犬進行測試，牠們主要是用於牧場工作，不像寵物犬那麼擅長遊戲和乞討零食。

他們測量了那些邊境牧羊犬的方向感、速度和遵循指示的能力。實驗包括將食物藏在柵欄後，讓狗狗尋找出來，或是端出兩盤份量不一樣的狗食，測試牠們多快能前往份量多的那盤等等，還有遵循人類指示的反應等等。他們發現，狗狗智力運作方式和人類類似，聰明的狗狗在執行一項測驗上表現較佳時，執行其他測驗也一樣更好的表現，就和人類相似。

他們希望藉由這些測驗，研究智力和健康以及壽命間的關係。有研究顯示較聰明的人壽命較長，但人類受抽菸、喝酒和社經地位等生活習慣因素影響，無法準確研究出健康和智力之間的關係，他們希望能夠利用不會抽菸、飲酒和嗑藥還有教育及社經差異的動物，來瞭解健康與智力間的真實關係。

另外，這個IQ測驗也可能可以用來研究狗的失智症。狗是少數有失智症症狀的動物，這可能有助瞭解人類的失智症成見或用於研發療法。

原學術論文：

• Rosalind Arden, Mark James Adams. A general intelligence factor in dogs. Intelligence, 2016; 55: 79 DOI: 10.1016/j.intell.2016.01.008

參考資料：

1. Sheena McKenzie. Scientists create IQ test for dogs… and it could help humans too. CNN. February 8, 2016.
2.  London School of Economics (LSE). “Mensa mutts? Dog IQ tests reveal canine ‘general intelligence’”. ScienceDaily, 7 February 2016.

本文原出自臺灣大學科學教育發展中心，其他單位需經同意始可轉載。

還記得今年學運數十萬的人潮嗎？或是每到跨年群眾聚集在101附近仰望煙火的情景？這些聚集人潮的活動往往面臨的一項大挑戰，就是如何有效引導參與民眾方向，避免交通混亂（不論是在活動前、活動中或活動後都極度需要這樣的技術）。而這個答案，或許可以問問牧羊犬！科學家分析了牧羊犬趕羊的行動模式，歸納出移動群體的兩大撇步。

過去，我們對於一隻牧羊犬如何管理驅趕ㄧ大群羊，並沒有太多深入的了解，其行動模式也從未被分析過；幾天前在Journal of the Royal Society Interface上發表的研究，科學家們第一次使用了GPS來記錄牧羊犬與羊群彼此追逐、趕羊過程的移動路徑，並透過模擬解析，建構出一套牧羊的數學模型。

結果顯示，牧羊犬的行為可以拆解成兩種簡單的模式：1. 當羊群分散時將牠們聚集 2. 當羊群聚集後把牠們驅趕至目標方向。站在牧羊犬的角度，當牠觀察到羊群間的空隙逐漸擴大，牠便會向空隙外側跑動，重新將羊群聚集；羊群足夠密集後，牧羊犬轉而從後方推趕羊群往目標前進。單單這樣簡單的行動模式，便足以在理論上讓一個人引導超過100人的群眾移動！

不過本篇的作者之一Andrew King也表示，目前的理論應用到現實上，可能仍無法達到那麼高的效果，當群體數目超過50以上，還是需要多個指揮者角色來執行路線引導，方能維持好的效能。

這套理論若將來發展得更完善（對牧羊犬行為分析得更加完善），將有助於舉辦大型活動的人群動線控制、清潔環境、家禽管理⋯⋯或許有ㄧ天，我們還能設計出機器人代替牧羊犬趕羊，甚至用來管理交通呢！

延伸閱讀：

• 你站外面啦！－自私的綿羊說
• 鄉民真的都來了XD

資料來源：

• Daniel Strömbom, Richard P. Mann, Alan M. Wilson, Stephen Hailes, A. Jennifer Morton, David J. T. Sumpter and Andrew J. King, Solving the shepherding problem: heuristics for herding autonomous, interacting agents, Journal of the Royal Society Interface, published 27th August 2014, dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0719

參考資料：

1. Sheepdogs use just two simple rules to round up large herds of sheep [PHYS.ORG, August 26, 2014]