台灣生質柴油怎麼了？

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。

「氣候工作」公司（那間我付錢請他們把碳排放埋到冰島的公司）是由克里斯多福．格巴德（Christoph Gebald）與簡．沃茲巴赫（Jan Wurzbacher）這兩位大學時代的朋友共同創辦的。「我們是上大學第一天認識的，」沃茲巴赫回憶道，「我想我們第一週就問了彼此：『嘿，你想要做什麼？』然後我說：『嗯，我想要創立自己的公司。』」他們後來將研究所的獎學金分為兩份；兩人都花一半時間做博士班的研究，並且用另一半時間讓公司成長。

就跟拉克納一樣，他們兩個人面對了許多質疑。有人說，他們做的事情只是在轉移焦點。如果大家認為有方法能從大氣中抽走二氧化碳，那他們就會排放更多。「大家會反對我們說：『嗯，老兄，你們不該這麼做，』」沃茲巴赫跟我說，「但我們一直很頑固。」現年 35、6 歲的沃茲巴赫身材纖瘦，頂著一頭孩子般的蓬亂黑髮。我和他在「氣候工作」公司的蘇黎世總部碰面。那棟建物裡不僅有辦公室，也有金屬加工廠，現場不僅帶著科技新創的氛圍，也有點腳踏車店的感覺。

「把二氧化碳從流動的空氣中抽出來並不是什麼尖端科技，」沃茲巴赫跟我說，「這也不是什麼新鮮事。過去五十年來，人類都會從氣流中過濾二氧化碳，只是用途不同。」

從空氣中抽碳所面臨的挑戰

譬如在潛水艇中，船員呼出的二氧化碳必須排出去，否則會累積出對人體而言很危險的濃度。

但是能從空氣中抽出碳是一回事，要能大規模執行則又是另一回事。燃燒化石燃料會產生能源，從科技中捕捉二氧化碳也「需要」能源。只要能源是透過燃燒化石燃料所產生的，那就一定會增加必須捕捉的碳量。

第二個重大挑戰是處置方式。捕捉下來的二氧化碳需要送到安全的地方儲存。「玄武岩的好處是我們很好對外解釋，」沃茲巴赫說，「如果有人問：『嘿，但這真的安全嗎？』答案很單純：兩年內，它就會變成位在地下一公里處的石頭。就這麼簡單。」合適的地下儲存地點並不少見，但也不普遍；這表示，若要打造大型的碳捕捉工廠，要不是必須有個合適的地理位置，否則就得把二氧化碳運到遠處。

最後是成本的問題。把二氧化碳從空氣中取出來需要經費，現在這需要花很多的錢。把一噸重的碳排放變成石頭，需要付給「氣候工作」公司 1000 美元。我將 544 公斤的配額，都用在飛往雷克雅維克的單程飛機上，於是包含回程飛機以及去瑞士的航程在內的碳排放，就只能留在空中飄蕩。沃茲巴赫跟我保證，隨著愈來愈多的捕捉裝置裝設完成，價格也會下降；在 10 年左右的時間內，可望降到每噸 100 美元。

如果碳排放以類似比例課稅的話，那麼就更容易計算：基本上，只要抽出一噸二氧化碳，就能少付一噸的碳稅。但如果碳仍舊能免費排入大氣中，那又有誰願意付這筆錢呢？即使一噸只要付 100 美元，把十億噸二氧化碳（只是世界年度排放量的一小部分）埋起來，就需要花上 1000 億美元。

我也問沃茲巴赫，這個世界是否已準備好為直接從空氣中捕捉碳的技術付費。「也許我們太早投入了，」沃茲巴赫若有所思地說，「也許時機正好；又或許我們遲了一步——天曉得。」

生質能與碳捕集和封存 BECCS

一如有許多方式能把二氧化碳釋放進空氣中，其實也有很多（潛在的）方式能移除二氧化碳。一種名為「加速風化（enhanced weathering）」的技術可說是我在赫利舍迪電廠參觀到的工程的反向版。這個概念並非將二氧化碳注入石頭中，而是將石頭帶到地表與二氧化碳接觸。

首先，要先將人為開採並碾碎的玄武岩散布到世界上炎熱、潮溼地帶的農田裡，而二氧化碳與這些碎掉的石頭起化學反應後，就能將其從空氣中抽取出來。或者有人也提出，可以碾碎火山岩中常見的綠色礦物質：橄欖石，再撒入海洋中溶解。這麼做能使海洋吸收更多的二氧化碳，而且還有另一個好處：對抗海洋酸化。

另一類負排放科技（negative-emissions technologies，簡稱為 NETs）的靈感則源自於生物。植物生長時會吸收二氧化碳，而當它們腐朽時，二氧化碳就會回到大氣中。種植新的森林能在植物體成熟之前吸收碳；有一篇瑞士研究人員最新的研究評估，種植一兆棵樹就能在接下來數十年中，從大氣中移除 2000 億噸的碳。其他研究人員認為，這項數據將事實誇大了十倍甚至更多。儘管如此，他們也評道，新植林吸收碳的能力「還是很重要」。

為了解決朽木的問題，許多人提出各種技術方案。其一是將成樹砍倒並埋在溝渠裡；因為缺乏氧氣，就能防止樹木腐朽，以及隨之而來的二氧化碳排放。另一個計畫則只需要蒐集玉米梗等作物殘留物，並倒入深海；在黑暗、冰冷的深海裡，這些農餘腐爛的速度會很慢，甚至完全不腐爛。這些聽起來可能很怪的想法，也都是從自然中汲取靈感。在石炭紀（Carboniferous），有大量的植物遭到淹沒並埋於地底。這些植物後來就變成煤礦——如果這些東西可以保留在地底，理論上就能把碳永遠留在那裡。

林地復育（Reforestation）與注入地下的技術相互結合後，即為「生質能與碳捕集和封存（Bioenergy with carbon capture and storage）」——BECCS（發音為「becks」）。

IPCC 所使用的預測模型極度傾向 BECCS，因為它可以同時達到負排放與發電兩種目的。這種「魚與熊掌兼得」的辦法，以氣候數學的角度來看，幾乎所向無敵。

BECCS 的構想是種植能從空氣中吸取碳的樹木（以及部分穀物），接著便透過燃燒樹木來發電，所產生的二氧化碳再從煙囪直接捕捉下來、送入地底。（2019 年，世界首個 BECCS 的前導實驗已在英格蘭北部一座木顆粒燃料發電廠展開。）

替代方案的土地面積要廣、數量要大

這些替代方案所面臨的挑戰就跟直接從空氣中捕捉碳一樣，問題在於規模。馬里蘭大學的教授（University of Maryland）曾寧（Ning Zeng）是首創「樹木砍伐與儲存」概念的人。根據他的計算，若要每年消去 50 億噸的碳，總共需要 1000 萬條埋樹溝渠，而且每一條都要跟奧運標準游泳池一樣大。「假設有一組一共 10 人的人馬每週可以用機械施工，挖出一條溝渠，」他寫道，「那也需要 20 萬組（200 萬名工人）人馬與機器。」

根據德國科學家一篇最新的研究，若要藉由「加速風化」移除十億噸的二氧化碳，那就得要開採、碾碎並運送約 30 億噸的玄武岩。作者群指出，需要開採、磨碎與輸送的石頭「雖然數量非常大」，但其實還比每年約 80 億噸的煤礦開採量要來得少。

若要種植十億棵樹木，大約需要造出 906.5 萬平方公里大的新林地。這片森林面積之廣，會跟包含阿拉斯加在內的美國國土差不多大。這麼大片的耕地不再用於生產農作的話，可能造成上百萬人面臨飢餓。喬治城大學的教授歐盧費米．泰伊洛（Olúfẹ́miO. Táíwò）近期表示，有一種危機是「我們每邁出一大步的同時，卻在公平正義上倒退兩步。」然而，大家也不清楚，用未開發的土地是否就會比較安全。

樹木是深色的，所以若把凍土變成森林，反而會增加地球要吸納的能量，並造成全球暖化，最後也無法達成目標。解決這個問題的方法之一，可能是用 CRISPR 技術基因改造出淺色的樹木。就我所知，目前還沒有人提出這個構想，但似乎只是遲早的事。

文 / 陳妤寧

大家都知道玉米可以用來提煉乙醇燃料，不過現在加州的一家新創公司 NexSteppe 正在開發以高粱作為原料來開發生質能的另一片天，甚至可能比玉米來得更加有效率和環保。

身負眾望－充滿能量的高粱種子

想到高粱可不能只想到金門。高粱源於非洲，非常耐熱和耐旱，不但可被再製為麵粉、糖漿和啤酒，被使用於在無麩質的產品，也被用來餵養駱駝。被稱之為北非小米的「蒸粗麥粉」或是在非洲被廣泛食用的粥，都是高粱屬作物的化身。已經在歷史上餵養人類和其他動物們超過千年。

全世界上的科學家都在研究能夠肩負起製造能源使命的植物們－樹木、灌木和草皆然。環境學家們表示，若要降低交通運輸部門所排放的碳污染，就必須提昇生質能源的地位和比重，汽車、卡車、公車、飛機在接下來幾十年都需要汽油和柴油以外的新液態燃料。做為世界最大私營石油公司之一的英國石油（BP），一共投注了 5 億美元給美國政府和大學研究機構來研究生質能和燃料作物。而從 2006 年開始，美國相關的能源和農業部門同樣也開始資助以生物能源和植物燃料為導向的的基因學基礎研究。

去年（2013年），NexSteppe 引進了兩個品種的高粱種子－帕羅奧圖（Palo Alto）和馬里布（Malibu），這兩種品種特別被用來作為能源作物栽培。他們可以在不肥沃的土地上成長、適應多元的氣候、而且還可以在四個月內長到 20 英呎（約 6 公尺）這麼高。「馬里布（Malibu）」容易發酵糖分，有利於製作燃料；另一個品種帕羅奧圖（Palo Alto）則志在為纖維速燃料和生質能鍋爐提供低水份的原料，藉此製造熱能和電能。

時勢造英雄－市場上對乙醇燃料的龐大需求

NexSteppe 認為乙醇燃料的重要性會持續攀升，但原料的供應量和質都遠遠不足。「我們發覺市場上的需求沒有被滿足，目前除了棉花和煙草之外，經濟作物的發展遠不如糧食作物，但其實能源燃料的需求還在持續增長！」NexSteppe 的創辦人兼 CEO 安娜拉特（Anna Rath）表示。安娜拉特今年 38 歲，過去在麥肯錫顧問公司上班，擁有生物學和遺傳學的學位，也是耶魯大學法學院的博士。她在 2010 年以一百萬美元和朋友展開了 NexSteppe 的新創事業，並從眾多創投以及杜邦化工公司爭取到了四千萬美元的資金。杜邦化工公司是投資能源燃料中的領頭羊，目前在愛荷華州正在興建一座纖維素乙醇（Cellulosic ethanol）工廠。

「巴西是我們第一個、也是最大和最重要的市場。」安娜拉特表示，巴西有幾十家的乙醇工廠和生質能鍋爐，由於運輸部門和電力需求都在增長，當地的甘蔗可說是供不應求。除了巴西之外，拉特也認為中國和美國的市場充滿機會，因為今年預計將會有半打的纖維素乙醇工廠投入商業運轉。

安娜拉特表示。雖然 NexSteppe 在主要市場巴西以外的地方幾乎沒做宣傳，它的原料卻正由世界上 15 個不同國家的農夫們所耕種，包括加拿大、美國、德國、中國、印度、和其他南亞國家。現在 NexSteppe 的辦公室位於舊金山，聘有 35 位員工，其中逾半為科學家。

閃開，讓專業的來－高粱眼中的失職玉米

NexSteppe 認為乙醇燃料的重要性會持續攀升，然而現正佔據乙醇燃料霸主位置的玉米原料卻表現不佳。目前世界上燃料作物的主要來源只有兩種：美國的玉米和巴西的甘蔗，但這兩種燃料作物的使用效能都還未臻理想。

「對於現在用於提煉乙醇的玉米栽種方式我們有許多擔憂，整個過程中充滿過多的化肥、農藥和各種高濃度的化學成分。」美國自然資源保護委員會（Natural Resources Defense Council，NRDC）的資深政策研究員布萊恩邵（Brian Siu）表示，理想的生質能源應該從有機廢棄物或作物中提煉出來，而不是需要另外東加西加一堆化學品或是過多的水源。

由於成本比化石燃料來得更高，以玉米提煉的乙醇燃料需要政府補貼的事實也遭受許多爭議。相較於現在的主流能源作物玉米和甘蔗，NexSteppe 相信高粱屬的作物能夠更加優化生質能源的生產過程。NexSteppe 本身也採用傳統的育種方法，而不使用基因改造。安娜拉特表示高粱的碳排放量遠低於玉米或甘蔗，每畝能夠提供的生質能原料卻更多。

不只拿來吃更要拿來燒－能源作物和生質燃料的多元想像

「我們不認為直接把糧食作物拿來當做燃料會是個好主意。」能源作物科學研究所（Energy Biosciences Institute，EBI）的資深研究員希瑟楊斯如此表示。EBI 是由英國石油（BP）在柏克萊加州大學贊助的研究計畫，從事不同種能源作物的永續發展潛力研究。

當然，NexSteppe 也不是唯一投身於能源燃料作物的公司。一家之前 Rath 工作過小型的上市公司「Ceres」，除了高粱之外，也經營芒草和草梗粗壯的柳枝稷（switchgrass）等提煉燃料乙醇的項目。

隨著時間的推移，生質能原料的多元可能性一一浮現，生質能永續性的關鍵十分取決於原料本身、以及人類決定「在哪裡（where）」、「用什麼方式（how）」來種植這些原料。

資料來源：New energy-rich sorghum offers ethanol without the corn (theguardian, Marc Gunther, 2014/8/12)