跟星空賽跑！　天文馬拉松第十年

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。

唐代的王勃是個神童。他 14 歲時路過南昌，州牧（地方首長）重修滕王閣竣工，舉辦盛大宴會，他也參加了。州牧提議寫篇文章，正在你推我讓的時候，王勃已揮筆完成，這就是著名的〈滕王閣賦〉。

文末繫一首詩，其中有兩句「閒雲潭影日悠悠，物轉星移幾度秋。」

詩中的物轉星移，已成為成語。有人改成物換星移，或斗轉星移，也都是成語。這三個成語的意思完全一樣，都用來形容時光流逝，或歲月變遷。讓我們以斗轉星移作例子，來造個句吧。

• 斗轉星移，海峽兩岸已從武裝對峙，變成可以互相往來了。
• 歷經斗轉星移，同學們都已老邁，不禁令人感嘆時光無情。

斗轉星移的「斗」，指北斗七星，位於天球的北方，是很容易辨認，且四季都能看到的一組星星。北斗七星斗杓的指向，會隨著季節改變：春季時斗杓指向東，夏季指向南，秋季指向西，冬季指向北。這就是「斗轉」的由來。

古代的天文學家假想「天」是個球體——天球。天球是以地球為中心，向外擴充而成的球面。由於地球自轉，我們覺得天球在轉，天球上的星星和太陽、月亮一樣，都是逆時針運行，每小時約轉動 15 度。因為整個天球都在轉動，所以恆星在天球上的相對位置固定不變，只有太陽、月亮、八大行星（肉眼只能看到 5 顆）、小行星、彗星的相對位置會變。

無論哪個民族，都會將肉眼看得清的星星分組，每組之間作一些連線，然後比附成人物、動物、器物等等。這種分組，有利於天文觀測。以北斗七星來說，連起來很像古代的舀酒器——斗。因為位於天球的北方，所以稱為北斗。

同樣的星空，中西各有一套觀測體系。星座，是西方發展出的觀測體系，總共有 88 個，大家所熟悉的黃道十二宮，就是其中的 12 個。星宿，是中國古代發展出的觀測體系，總共有 283 個。

星座和星宿分屬兩個系統。以斗宿（北斗七星）來說，就是大熊座「大熊」的臀部和尾部。大熊座肉眼看得到的有 17 顆星，中國的斗宿是其中的 7 顆。

由於地球公轉，每天星空昇起的時間會差幾分鐘。其結果是：不同的季節，天球上的星空各不相同。一年之後的同一天，才能看到完全相同的星空。

古人早已觀察到星空的週而復始變化，也觀察到，斗宿的指向隨著季節發生變化。成語斗轉星移，就是從這兩個天文現象衍生而來的。

• 作者／廖子萱

蕞爾臺灣島，地跨熱帶與副熱帶季風氣候區、四面環海，縱貫的百岳更加深了氣候的複雜程度。

在這樣的地理條件下，即便當今借助氣象衛星進行天氣分析，預報仍偶見差之毫釐、失之千里。一百年前，人們對於山岳、海洋與其相生的自然現象往往常處於未知，而至今日手機隨手可得及時的氣象預報，在短短一百年間，臺灣氣象科學從無到有，蓬勃發展。這背後的功臣包括了中央氣象局、高山氣象站、地震觀測站，這些單位的前身與發展，皆與近藤久次郎有關。

近藤久次郎（Kondo Kyujiro ，1858 – 1926）是臺灣首任總督府測候所技手兼所長，也是臺北測候所所長（現中央氣象局）。 1896 至 1924 年在臺期間，近藤引領總督府測候所設立了七座地方測候所，並協調地方基層治理單位，建構氣象觀測方法和資料搜集的網絡。他更推動高山觀測方法，以進行颱風預測、推動高山與地震觀測系統的建置，為臺灣氣象科學翻開了嶄新的一頁。

臺灣近代氣象觀測的發展

臺灣近代氣象觀測發展可追溯於清朝，光緒年間的1883年，清廷聘請杜伯克博士（Dr. William Doberck）赴香港擔任首任天文司（天文台台長），並在沿海稅關和燈塔裝置觀測設備，進行氣象觀察。臺灣基隆、淡水、安平、打狗四港的稅關，以及漁翁島（澎湖）、南岬（鵝鑾鼻）也陸續在 1885 年前後，展開十餘年的氣象記錄。然而，1895 年清廷與日本簽訂馬關條約割讓臺灣，氣象觀測工作就此停擺，多數的觀測儀器與記錄更在政權交替期間散失。

日本統治臺灣之後，由於當時國際航海安全多仰賴氣象資料，在英法強權的施壓下，臺灣總督府於1896年發布第 97 號敕令，以「台灣總督府測候所官制」編制氣象觀測單位，而日本中央氣象台則選派本文主角，技手（技士）近藤久次郎來臺勘查、策劃氣象觀測站。同年，總督府也在民政局通信部海事課增設「氣象掛」一單位，統理全島氣象事務，如氣象觀測、天氣調查、颱風警報、地震檢測等工作。

1896 年四月至六月間，近藤久次郎與民政局通信部海事課課長遠藤可一翻山越嶺、走訪各地，行跡遠至鵝鑾鼻。根據兩人的調查基礎，臺灣總督府先後於臺北、臺中、臺南、恆春和澎湖設置測候所（後三為 1987 年設立），近藤也在日本中央氣象台台長中村精男（Nakamura Kiyoo）的任命下擔任臺北測候所所長，開始逐步搭建全島的氣象觀測網絡。

在各地氣候觀測所選址的條件上，近藤久次郎配合日本政府在農業、工業、航海與公共衛生等發展項目的資料需求，為詳實觀測各區域氣候根據相對距離由北至南畫設臺北、臺中、臺南、恆春測候所^１ 。此外，還參考了夏季與秋季的颱風路徑設立澎湖測候所，用以觀察自香港與馬尼拉而來的颱風。

除了本島的氣象觀測，近藤還曾於1897年，帶著晴雨計、寒暖針遠赴火燒嶼（綠島）、紅頭嶼（蘭嶼）進行氣象觀測、測量山頂高度，策劃設立觀測站。而後隨著總督府逐步克服東部地區交通和電信的限制， 1900 年、1910 年臺東和花蓮測候所分別建設完成，時至 1924 年近藤久次郎卸任前，全臺共設有七座「一般測候所」。

十九世紀末的觀測所主要沿用清朝遺留的官廳或民房，屋頂簡單設有的風力與風向儀，室內則作為辦公之用。一般測候所以風力塔為主要的觀測設施、可測量風向、風速、風壓、日照和日射；辦公室外設置氣象觀測坪以測量氣溫、雨量、地面溫度等；測候所外另設有提供執勤人員進駐的官舍。

而在時間方面，位於政治中心的臺北觀測所實施 24 小時氣象觀測；其他測候則每四個小時實施觀測、每日六次，用於地區性天氣預報，並將資料匯報予臺北測候所以利發布臨時颱風警報、氣候月報和年報，進一步進行總體性的氣象分析。

擴大氣象觀測網路，發佈氣象預報歷史頁面

為了擴大氣象觀測網絡，總督府會同官廳、派出所、郵局等單位協助蒐集雨量和氣溫資料，並於 1896 年 7 月以「民通 151 號」公報始建立暴風警報通報流程，命令各官廳、海關、郵局、燈塔，將通信部海事課所轉發的暴風警報公布予地方民眾，九座燈塔更奉「總督府訓」兼任氣象觀測的任務，協助測量氣溫、氣壓、風、雲與雨量。

1897 年 9 月，近藤領導的臺北測候所開始發佈每日三次的氣象預報，並與琉球、九州南部測候所，以及徐家匯、香港、馬尼拉等地的氣象台交換氣象報告。 ^２依循著新展開的天氣觀測模式，總督府府報開設「觀象」專欄，刊登臺北測候所撰寫的天氣預報（「本島氣象天氣豫報び天氣概況及暴風警報等」），開啟了臺灣天氣預報歷史性的一頁。直到1905年，全臺各地的雨量觀測網絡已達78處，涵蓋燈塔、支廳、派岀所、學校、郵局、農業試驗所、自來水廠等單位，各處配備簡易的氣溫觀測工具以協助記錄天候狀況。

很快地，日本在臺短短10年內，近藤久次郎已為氣象觀測網打下綿密的基礎。

不只是天氣預報，開啟高山觀測與地震研究先河

1900 年，近藤久次郎附議天文學者一戶直藏提出的新高山（今玉山北峰）報告（新高山ニ關スル研究報告），近藤提到：「新高山山頂是天然絕佳的天文觀測與氣象學研究位置」，他認為高山觀測有助於天文和氣象研究，可藉由研究大氣動力上升的過程進行天氣預測，尤其臺灣每逢夏季，颱風挾帶滂沱大雨常引發災情，若能在台灣百岳中設置幾處高山觀測所，定有助於颱風警戒和天候預設。

於是， 1911 年近藤久次郎與一戶直藏率先提出「新高山觀測所設置計畫」，向總督府倡議在玉山、阿里山興建高山觀測所和天文台，間接促成玉山觀測站（1943 年始建造）與阿里山觀測站（1932年建造）的設置。

近藤久次郎除了推動高山氣象、天文與航空研究，也曾與臺北測候所同仁積極推動與地震和火山相關的研究： 1896 年，臺北臨時測候所首次藉由人體感受進行地震觀測； 1897 年正式落成的臺北測候所，引進格雷－米爾恩型地震儀（Gray-Milne Seismograph）； 1900 年，由被譽為日本地震之父的大森房吉所改良的大森式水平地震儀（Omori horizontal pendulum seismograph）以及強震儀（Strong motion seismograph）裝設於臺北測候所。

這些地震觀測儀也在 1906 年 3 月 17 日的「嘉義梅山地震」發揮了記錄地震波形與餘震數據的作用，獲得的數據使大森房吉找出梅山地震與斷層的關係，並將之命名為「梅仔坑斷層」（後更名梅山斷層）。而後，大森房吉還將研究與近藤所著的說明書刊登於報紙，傳遞地震成因與餘震的科學知識，緩解民間傳說帶來的社會不安。時至1907年，在近藤的協助推動下，全臺共有七所測候所兼做地震觀測，當時的紀錄，也成為現代地震研究珍貴的早期觀測資料。

1924 年，近藤久次郎因病去職返回日本，1926年因胃癌而逝世。 1896 至 1924 年，近藤來臺近將三十年，他在擔任總督府測候所與臺北測候所所長期間，建制氣候所與觀測網絡、編輯並彙整氣象資料；開啟暴風雨警報、颱風預測等重要的氣象預報機制；也協助推動高山氣候觀測、天文觀測與地震研究，著實是臺灣近代氣象科學研究的先河。

註解

• 註 1：然而，由於當時日本與臺灣之間並無定期班船和通訊設備可供交通和信息的傳遞，使得測候所無法如期配備氣象觀測儀器並興建正式氣候站，故先以既有房舍作為臨時氣候所。而後各地氣候所材陸續興建並增添觀測設備：臺北測候所於 1897 年 12 月 19 日遷入臺北城內南門街三丁目；臺中測候所於 1901 年 5 月 20 日遷入臺中城內藍興堡台中街；台南測候所於 1898 年 3 月 1 日遷入台南城內太平境街第 216 號官有家敷地；恆春測候所於 1901 年 11 月 24 日遷入恆春縣前街四番地；澎湖測候所於 1898 年 3 月 1 日遷入澎湖島媽公城內西町。（資料來源：中央氣象局委由財團法人成大研究發展基金會、國立成功大學單位研究之《台灣氣象建築史料調查研究》， 2001 年 2 月出版。）
• 註 2：資料參考徐明同〈台灣氣象業務簡史〉