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在非洲某處-《從世界變得寂靜開始》

PanSci_96
・2014/12/17 ・1912字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 477 ・五年級
相關標籤: 黑喉嚮蜜鴷 (1)

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FS0038非洲有一個傳說故事,描述尋找路途的人類與指引方向的動物。這則故事流傳於尚比亞的東加族、肯亞的波讓族、剛果的姆布蒂族、安哥拉的盧瓦勒族、南非的班圖族,以及故事中主角會出現的所有地方,描述的是一種聰敏的小型鳥類 ─ 黑喉嚮蜜鴷,牠具有和最危險或最令人擔心的幫凶一起共事的本領。這種鳥味覺相當敏銳,而且是珍饈美饌專家,喜愛蜂蠟。十六世紀時,非洲東部的葡萄牙傳教士觀察到小鳥如何入侵他們的教堂,以及如何急切地啃啄教堂裡的蠟燭。神父用棍棒驅趕這些不敬畏上帝的喧嘩者,把虐待蠟燭的小鳥們趕出聖殿,並且將所發生的事情記錄下來,以警示後人。對黑喉嚮蜜鴷來說,沒有任何其他東西像蜂蠟一樣好吃。

不能偷竊,那又該從何處取得蜂蠟?鳥類有天生厚實的皮膚,也許可以用鳥喙和爪子覓食,但是如果可以讓別人來做,為什麼要自己去啄蜂巢、被蜜蜂叮呢?再者,小鳥無法接近許多岩石深縫和窄小樹洞中的蜂巢。牠需要既強壯又尖銳的爪子和牙齒,以及有修長手指的同夥一起行竊。牠在鼬科猛獸的家族派系中,找到了其中一個夥伴。「開普敦地區的蜂蜜嗜食者」,又被稱為「蜜獾」,恰如其名,除了蜂蜜沒有其他東西是牠更渴望得到的。牠是製造麻煩榜上的第一名。根據報導,當牠進攻蜂巢時,會先噴射肛腺的分泌物,味道臭到讓蜜蜂停止呼吸、失去攻擊能力。在蜜蜂從昏迷中甦醒之前,蜜獾有足夠的時間掠奪蜂巢,拖走蜂蠟巢室,狼吞虎嚥地享用裡面的蜂蜜。等臭味散開時,蜜獾早已享用完畢,消失在臭氣中。留在巢室的蜂蠟對蜜獾來說是廚餘,卻是黑喉嚮蜜鴷的饗宴。蜜獾能夠用臭彈使蜜蜂昏迷,找到大蜂蜂蜜,這對黑喉嚮蜜鴷來說非常重要,因此牠的任務是告知小偷偷竊的地點。內行的黑喉嚮蜜鴷幾乎還沒看見蜜獾,就開始嘶聲尖叫、拍翅指引蜜獾,並且飛在前頭引導蜜獾前往下一個蜂群。

然而,不只蜜獾有愛吃甜食的嘴。人類自古以來就喜歡吃甜食。除此之外,因為人類在非洲居住最久,和動物適應彼此的時間也最長。人類什麼時候是個威脅?什麼時候只不過是有點煩人?什麼時候也許有用處?數百萬年來,這些訊息都已經深植非洲動物的基因當中。早在我們遠祖的時代,人類就開始奪取非洲蜂群的寶藏,也沒忘記與在一旁發聲警惕的小鳥共同合作。如果蜜獾一直被關在籠子裡不能出來,這些積極的小鳥就會和這個屬於靈長類、極度渴望蜂蜜的共犯合作。自從第一個歐洲人在非洲沙漠進行研究,他們就聽到了許多有關人、動物和幽靈世界的故事。來自葡萄牙的神父將他們的經歷記載下來,歐洲編年史中因此出現了有關黑喉嚮蜜鴷的摘要。根據記載指出,牠發出尖叫聲,振翅作響,以吸引人類的注意力。對於牠們來說,看到人類等同於「午餐」的出現,或者至少有機會用尖叫聲讓人類「簽下合約」,甘願攬下竊取蜂巢的危險,留下蜂蠟作為小鳥的報酬。

尚比亞的東加族、肯亞的波讓族、剛果的姆布蒂族、安哥拉的盧瓦勒族,以及其他有人類、蜜蜂和喜歡蜜蜂的鳥類的地方流傳著這些故事。在非洲傳說、童話、歌謠中,黑喉嚮蜜鴷被訴說、被詠唱、被拿來跳舞。幾世紀以來,到非洲旅行的人都有個疑問,例如美國探險家歐莎.強森(Osa Johnson)說:「以前我非常懷疑這個傳說,我確定這些年輕人一定又是在和開我玩笑。」直到有一隻灰色小鳥,一邊發出尖叫,一邊振翅作響,吸引別人的注意。「小鳥不斷地飛翔、發出尖銳的叫聲,在樹枝上等我們追上牠,然後又再度起飛。我不帶期望地將整件事情記錄下來。突然,其中一個年輕人大叫說他發現了蜂蜜。接著,他就帶領著我們到一棵滿是野生蜂群的樹前。」一直有許多來自非洲的報告證實這種「嚮導鳥」的行為,「嚮導鳥」是瑞士記者漢斯.羅恩貝格在他的非洲遊記中所使用的名稱。此外,科學家也不懷疑黑喉嚮蜜鴷故事的真實性。「我自己也曾經被黑喉嚮蜜鴷帶路過很多次。」一名在非洲追蹤鳥類多年的鳥類學家向我如此保證。這種鳥類行為,以及人與動物之間的共生行為,在過去幾十年的科學研究中也不斷地被印證。例如五○年代加州鳥類學家赫曼.費里德曼(Hermann Friedmann)在一篇專題論文中,為當時有關黑喉嚮蜜鴷的資訊做了總結。

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還有一位名叫賀賽恩.亞當(Hussein Adan)的鳥類學家,他近期的一份研究報告引起了更多的關注。一九八七年他在公牛淺灘之市攻讀博士,他來自非洲,屬於肯亞北部的波讓族,並且研究黑喉嚮蜜鴷。他的研究結果發表於《科學》雜誌,並且吸引了全球報刊注意這種來自非洲的鳥。《芝加哥論壇報》(Chicago Tribune)的標題是〈鳥類帶人類找蜂蜜〉,《舊金山紀事報》(San Francisco Chronicle)報導:「帶領人類尋找蜂蜜的鳥類傳說,已經獲得證實。」

本文摘自泛科學2014十二月選書《從世界變得寂靜開始:生物多樣性的衰減如何導致文化貧乏》  ,臉譜出版。

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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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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。

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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?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

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。

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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。

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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?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

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。

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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。

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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。

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