手槍蝦的閃光音爆槍!

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。

小小身軀能發出威力無比強大的巨響

有些動物會利用空蝕現象來捕抓獵物或抵禦攻擊者，鼓蝦（Pistol Shrimp）是最好的例子。這種 5 公分長的蝦科動物也被稱為手槍蝦，只因為牠會把敵人打倒。

牠可以用那對手槍螯發出比噴射機還大的聲音，大約是200 分貝，這讓牠成為世界上聲音最大的動物。小動物聽到會昏倒，較大的攻擊者也會迅速逃跑，就算是潛水艇的聲納設備也會被破壞。手槍蝦之所以能發出這麼大的聲音，是因為空蝕現象，牠會忽然用力合上手槍螯，朝攻擊者射出一股水流，這股水流後面會形成水蒸氣，並隨著一聲巨響而內爆。

有趣的是，手槍蝦可能根本就聽不到大爆炸的聲音。研究人員沒發現蝦子具有聽力器官，這點也許對瘋狂大爆炸會更好。

除此之外，手槍蝦不只會用螯產生轟雷聲，還會產生閃電，當空氣泡內爆時，會釋放很多能量，所以會出現「聲致發光」（Sonoluminescence）的現象，也就是當液體受到強烈壓力波動時，所發出的光效應。可惜的是，人類無法用肉眼看到閃電，但如果你可以利用相機超慢動作動態攝影的功能來拍攝手槍蝦，這樣就能看到聲致發光的現象。這看起來真的非常不可思議！發現這種效應的人非常高興，甚至將這效應稱為「蝦發光」（Shrimpoluminescence）。

總而言之，手槍蝦是種非常迷人的動物，可以單獨替牠寫出一整本書，私底下牠也是很喜歡社交的，喜愛和小魚或海葵一起生活，也經常和帶條紋的蝦虎魚一同住在山洞裡。

手槍蝦會整天待在洞裡，沒有敵人來襲時蝦虎魚會在洞口游來游去，但要是有章魚在附近游來游去，蝦虎魚就會飛快游回洞穴，並害怕發抖，然後就是手槍蝦表現的時候了，牠會衝出山洞，伸出螯砸向攻擊者。

如果牠在戰鬥中輸了，把螯弄斷了，牠只要修復自己就好了，另一邊的正常螯還是可以攻擊，而斷掉的螯會再重新長出來。

船艦該如何克服空蝕現象

手槍蝦那麼強大的自癒力對「勇敢號驅逐艦」這種艦艇來說當然不可能有。

1893 年，艦艇上的工程師不得不在這裡與有破壞力的空蝕作用鬥智，他們成功了！這艘艦艇沒有轉動很快的大螺旋槳了，而是幾個較小的螺旋槳，功率也稍小，這樣水流就沒有那麼快，空蝕現象也減少了。

就這樣，這艘船艦最後能以 32 節的速度出海航行，在 19 世紀末，這個速度的確非常快，報紙終於稱它為「世界上最快的船艦」，工程師們對此感到很滿意。

後來，他們只改變了一件事，就是在船頭安裝了一個魚雷發射管，可以朝敵方艦艇射擊。但這後來被證明是不切實際的，因為「勇敢號驅逐艦」現在的速度超級快，根本已經有可能超過它自己魚雷的速度了。

這已經是一百多年前的事了，現在有許多巧妙的解決方法，可以保護船隻免受空蝕現象損壞。

有些螺旋槳的設計會讓空氣從它的邊緣流出去，那些小氣泡的作用就會像阻尼器一樣，當水在螺旋槳後面流動過快且壓力過低時，氣泡就會膨脹，進而防止形成空氣泡。這個技術對軍艦也很有用，因為可以讓船艦變得更安靜，就如同我們從手槍蝦身上知道的那樣，氣泡破裂的聲音非常大，這樣會害船隻被敵人的聲納定位到。

——本文摘自《神奇物理學：從重力到電流，日常中的科學現象原來是這麼回事！》，2022 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

產生光有很多種方式，不過在生物上大約就是螢光跟磷光，一般常見像是燃燒利用電漿離子發光的機會幾乎沒有。不過這樣難得的現象在幾年前被一種特殊的生物打破了，那就是手槍蝦。

手槍蝦的補食方式是利用先施力在螯的彈性組織上儲存彈力，然後一下子放出，讓螯口閉合，在這同時可以射出一條水柱。在流體中，當速度很快的時候，局部的壓力就會變小，因為壓力變小，局部就會有氣泡因為壓力太小而被引發出來(稱為空穴化)。

這樣被引發出來的氣泡很不穩定，當流速下降以後就會塌陷。因為表面張力所造成的壓力差反比於氣泡的半徑，所以當縮的越小的時候表面張力帶來的壓力反而越大，所以氣泡被不斷的加速壓縮。這種加速的方式就如同音爆一樣。最後因為氣泡縮小的太快，對裡面的氣體進行絕熱壓縮，讓裡面的氣體溫度升高到數千度，直接變成電漿發生電離，然後就發出光了。

當然這樣的光不是這蝦子的目的，氣泡的攤縮音爆才是。這種音爆可以震昏牠的獵物，然後就可以拖回家了；這些物理知識也許蝦子不懂，不過自然卻已經教會牠如何使用，在牠身上演化出一種人想像不到的閃光音爆槍！

本文原發表於科學影像

2015年即將結束，讓我們一起來看看由自然《Nature》選出的年度精選照片吧！

爬蟲類大對抗

別以為你在看侏儸紀世界！這是兩隻科摩多巨蜥（Komodo Dragon）為了爭地盤而決鬥的畫面。科摩多巨蜥生長在印尼，是現今體型最大的蜥蜴，平均體長可達2至3公尺，以肉食及腐食為生。由於科摩多巨蜥分泌的毒液會阻擋獵物凝血，造成獵物失血過多死亡，所以牠們會放走咬過的獵物，然後只要在背後偷偷跟蹤，食物就能手到擒來。這張展現野生動物決鬥的照片是2015年野生動物攝影師大賞的（Wildlife Photographer of the Year ）的決選作品。

看得見的音爆

我們都知道當鴨子划過水面的速度大於水波的速度時，鴨子會在水面產生一道道美麗的漣漪。但你看過這樣的音爆場面嗎？這架美國的噴射機以超音速飛行在莫哈韋沙漠上空，位於噴射機上方的另一台美國太空總署的飛機捕捉了噴射機劃過天空的產生的衝擊波。光經過不同密度空氣的折射現象其實是很難被觀察的，但透過1864年德國科學家August Toepler發明的紋影攝影術（schlieren photography），我們能將音爆的效果完美呈現。

奇幻的麥哲倫雲

這可不是甚麼汙染河面的空拍圖XD，而是普朗克衛星捕捉微波及紅外光，計算後得到的麥哲倫雲。圖中較大片的褐色區塊為大麥哲倫星系（ Large Magellanic Cloud），左下角較小的褐色區塊則為小麥哲倫星系（ Small Magellanic Cloud ）。這兩個星系屬於沒有旋渦、橢圓等結構的不規則星系，並可能環繞著我們生活的銀河系。

象鼻蟲的大頭照

「哈囉～你在看我嗎？你可以再靠近一點！」這是一隻棉子象鼻蟲（boll weevil, Anthonomus grandis），頭部僅有幾釐米寬，長長的、延伸出來的不是鼻子，而是用來覓食的口器。這張Wellcome Image Awards的得獎作品，利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope），清楚呈現象鼻蟲的頭部特徵。

大自然裡也有粉紅龐克！？

原文是用令人恐懼（ eerie）去形容圖中像骷髏的物體，但我覺得它們笑得蠻可愛的啊╰（￣▽￣）╭。哎呀～回歸正題，這是由David Maitland拍攝的紙紗草（papyrus plant, Cyperus papyrus）維管束切片200倍放大影像。維管束組織負責傳輸養分及水分，是維管植物裡很重要的角色，不只可愛而且還很有用呢！

病毒蔓延中

這是一張大病毒的3D影像（ large virus，其宿主為後棘狀阿米巴變形蟲（Acanthamoeba polyphaga）），由數百張的2D影像疊圖而成。但科學家究竟是如何知道物質的三維結構呢？答案是，X光繞射（X-ray diffraction）。由於單一分子的繞射行為並不明顯，科學家唯有將待測物結晶，透過大量重複單元的晶格繞射結果，才得以了解待測物的結構。因此養晶、解結構，仍是目前最直接證明合成出目標分子的方法。可是…養晶是門藝術啊（倒～～）！生物大分子的結晶尤其困難。好消息是X光自由電子雷射器（一種高強度的脈衝X光）的出現有望解決這個困難，讓科學家不用養晶也能知道單一分子的結構！

太空泡泡

這團「雲啊~霧啊」的太空泡泡是行星狀星雲－南貓頭鷹星雲。當恆星進入生命晚期，其向外膨脹的氣體被電離後產生發射星雲，即為行星狀星雲。 此照片由智利的甚大望遠鏡（ Very Large Telescope）拍攝。

「冥王星，你好!」

2006年發射的新視野號，這幾年來不斷傳回大量的影像和資訊回地球，然而直到2015年，這張當新視野號最靠近冥王星時所拍攝的冥王星影像才真正地驚豔了大家。照片中太陽光清楚地勾勒出冥王星的輪廓，顯現了她孤冷（表面溫度44 K）的氣質。期待新視野號能帶領我們繼續發現太陽系的其他秘密。

快閃一瞬間

這張照片利用長時曝光的攝影技術，清楚地捕捉到了閃電！對於大部分的人來說，雷電交加是件很可怕的事；然而對於位在美國佛羅里達的國際閃電研究及測試中心（International Center for Lightning Research and Testing）而言，這些我們害怕的事物，卻是他們感興趣的對象。他們設計並實際探討火箭穿透風暴後觸發的閃電現象。

「膚淺」的人體影像

這張彩虹斑點的人體照片，顯現了在人體最大的器官－皮膚上的化學物質及微生物。圖中色彩越趨近於紅色代表此處的分子多樣性越高，反之，藍色代表多樣性低。聖地牙哥大學的Pieter Dorrestein及其團隊徵求兩名志願三天不洗澡的健康受試者，採取他們皮膚上約400個位置的樣品，進行質譜及DNA定序的分析，最後利用超級電腦彙整了大筆的數據並繪製了這張圖。

生生不息

這張滿布屍首的照片呈現了禿鷹的日常生活！禿鷹以屍體為食，很少主動攻擊動物。牠們的胃酸有很強的腐蝕性，因此即便吃下被細菌感染的食物，也不容易生病。這畫面或許看起來有點陰森，然而禿鷹的攝食習慣，其實在生態系統的健全發展中扮演很重要的角色。

加州大火

今年8月克里爾雷克（ Clearlake）的火災照片。人稱「金州」的加州這四年來飽受乾旱之苦，野生動物的生存受到了威脅，各地區更是火災頻傳。

火星上有水！？

「火星上究竟有沒有水？」一直是天文學家好奇的問題。現在，他們用這張火星上的隕石坑－火山口加尼上的照片證明火星上真的有水在流動！圖中黑色條紋的部分表示火星表面有含水的礦物質，且條紋的分布會受季節影響，推測和水的流動有關。這項研究仰賴高解析度成像科學設備（High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE），並希望後續的結果能讓我們對於宇宙生命的發展有更進一步的了解。

一口氣看完了那麼多精彩的照片，你是否更想了解其背後的故事呢？別擔心，泛科學早就為好奇的你準備了許多相關報導，祝大家有個收穫滿滿的2015喔！

• 驚！火星上有水！
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• 加州乾旱、臺灣沒雨，與氣候變遷有關嗎？
• 透視麥哲倫雲
• 島嶼上的瑰麗珠寶—球背象鼻蟲
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 參考資料：