此「斤」不等於彼「斤」 台斤市斤差異從何而來？——科學史札記（五）

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。

公尺是大家經常使用的長度單位，不過，它到底是多長呢？答案是：光在一秒內行走距離的 299,792,458 分之一。

然而，想準確測量光速可不容易，一般人家裡根本就沒有測光速的實驗設備，為什麼還要選擇這麼不親民的定義呢？原來，這個定義是一直到 1983 年才終於定案的，那麼問題來了：在這之前的人們，是怎麼測量長度的？

法國大革命，度量衡也要大翻新！

在法國大革命之前，法國境內的度量衡直接沿襲了神聖羅馬帝國的規定，各地區間差異頗大，令人頭痛。於是，在大革命剛結束之際，國民公會便指示巴黎科學院定下一個新的長度標準。這麼做不只有利民生及學術發展，也可順便掃除舊政權的老古董制度。

一聲令下後，各路好手紛紛出馬，提出自己覺得夠科學的長度標準。

第一個候選人是「單擺」。因為單擺周期只與擺繩長度有關，所以或許可以用「一秒擺一次的單擺擺長」來作為長度標準。不過，只要經過簡單的實驗就可以發現：由於各地重力強度不同，所以單擺周期會因測量地點改變，而不是只跟擺長有關。用單擺當標準的話，缺乏了各地通用的普適性，因此遭到淘汰。

第二種想法則是利用「地球的大小」。更準確地說，是將子午線從赤道到北極的長度作為標準，以定下常用的公尺長度。這個想法其實沒有什麼物理上的意涵，不過還是被國民公會所採用，於是開始了測量子午線的浩大工程。

雖然子午線就在法國人的腳底下，但要量它的長度可不容易。沒有人能真的從赤道長征到北極。在那個科學技術剛起步的年代，如此大規模的測量是個十分艱鉅的挑戰。

不過，堂堂法國巴黎科學院可是說到做到。他們花了超過六年的時間，實地測量從敦克爾克到巴塞隆納這段子午線的長度。這兩個城市都位於海平面，而且差不多位於整個弧長的中段，是很適合的選擇。利用這次測量的結果，科學家鑄造出一根鉑製的公尺原器，從此，一公尺有多長由它說了算。

在 1840 年左右，新定義的公尺正式成為法國的標準單位。後來，公尺原器經過幾次複製與改良，推廣到全世界，而公尺也成為家喻戶曉的長度單位。

不過時間一久，科學家發現：用一個實體物品去定義單位終究不是個好主意。不論保存措施多麼完善，實體物品終究會出現一些損耗，像是用來定義質量單位的公斤原器，便隨著時間逐漸變胖。這些細微誤差讓龜毛的物理學家難以接受，於是尋找公尺新定義的偉大旅程再次展開啦！

為什麼要「吹毛求疵」？樸實無華的單位追尋之旅

這次的場景在二十世紀。經過眾多物理大師的加持，物理學已經比法國大革命那時完備許多。電磁學、相對論、和量子力學都已經發展成熟，而新的定義也從這幾個領域著手。1960 年，科學家們先是將公尺用氪原子光譜的躍遷波長來定義，後來則因氪元素取得不易，在 1983 年更改為我們現在熟悉的光速定義。

為什麼是光速而不是聲速或其他速度呢？電磁學的推導指出，不論在宇宙的哪個角落，光速都是一樣的（相對論的架構也是建立於這點之上）。因此光速有別於其他物理速度，是個令人信賴的定義標準。

除此之外，這個定義使用的是不變的物理常數，而不是實體物品，因此存在一個完美的「精確值」。隨著測量光速的實驗越來越精準，一公尺只會逐漸趨向精確值；相較之下，原本的公尺原器就相形失色，就算不考慮原器長度會有變化，公尺的定義還是受限於每次測量的誤差。基於同樣的道理，公斤的定義也在幾年前由公斤原器改為物理常數的組合。

從單擺到光速，公尺的定義隨著物理學的發展不斷演進，為的就是去除那零點零幾趴的誤差，得到一個恆常不變的長度單位。物理學家的堅持就是這麼樸實無華且枯燥，實在令人敬佩。

所以說，在可預見的未來中，這些定義應該不會因為準確度的問題而被換掉。（對的，你只要好好記一次就很夠用了！）如果真的有這麼一天，表示目前的宇宙常數和物理定律出了問題，那麼事情可就大條啦。

參考資料

• 國家度量衡標準實驗室
• Wikipedia: History of the metre
• 精確的力量：從工業革命到奈米科技，追求完美的人類改變了世界

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• 作者／李開周
• 編按：本文中的單位換算，是中世紀歐洲的計算方式，現代的計算方式已和過去不同，一起來看看那時的單位計算有多野蠻吧！

蕭邦之所以姓「蕭邦」，來自於「一瓶紅酒」

弗雷德里克．蕭邦（Frédéric François Chopin） ，波蘭鋼琴家、作曲家，十九世紀歐洲浪漫主義音樂的代表人物，弗雷德里克是名字，蕭邦是姓氏。

蕭邦為什麼姓蕭邦呢？因為他父親姓蕭邦。他父親為什麼姓蕭邦呢？因為他父親的父親的父親的父親，也就是蕭邦的祖宗，在法國賣過紅酒。

幾百年前的法國，單瓶紅酒的標準容量是一超品（Chopin）。當時法國人說到紅酒，就會想起超品；而說到超品，就能想起紅酒。蕭邦的祖宗既然賣紅酒，所以就把「超品」當作家族的姓氏。

後人再把這個姓氏譯成漢語，就成了「蕭邦」。實際上，按照現代漢語讀音，把 Chopin 譯成「超品」並不恰當，譯成「蕭邦」才比較接近。

現在我們知道了，蕭邦的姓氏和度量衡有關，是法國傳統容量單位超品的另一種譯法。那麼這個容量單位到底有多大呢？折算成現在國際通用的毫升，到底有多少毫升呢？算一下就知道了。

• 一法國超品等於 1.5 英制品脫，一英制品脫又等於 0.125 英制加侖，所以一法國超品等於 0.1875 英制加侖。
• 一英制加侖是多少呢？大約是 4546 毫升。所以，一法國超品就相當於 852.375 毫升，約等於 850 毫升。

現在市面上的法國紅酒，單瓶容量通常是 750 毫升或 700 毫升。也就是說，蕭邦的祖上售賣的紅酒，比現在的紅酒要實惠，酒瓶更大，裝得更多。

但我們必須說明的是，將一超品折算成 850 毫升，完全是根據現代英制加侖與毫升的換算關係來計算。而在幾百年前，並沒有「毫升」這個概念，一加侖的實際大小是不確定的，可能比 4546 毫升略大，也可能比 4546 毫升略小，所以一超品的實際大小並不能十分確定。

這些容量單的換算關係如下：

• 一蒲式耳＝二坎寧
• 一坎寧＝二配克
• 一配克＝二加侖
• 一加侖＝二波特爾
• 一波特爾＝二夸脫
• 一夸脫＝二品脫
• 一品脫＝二大杯
• 一大杯＝二及耳
• 一及耳＝二傑克
• 一傑克＝二小杯
• 一小杯＝二口

做為容量單位，超品已經退出歷史舞臺，現代法國人不再使用，英國人、德國人和美國人也不再使用。事實上，英國人從來就沒用過超品，他們過去常用的容量單位，是品脫（Pint） 、夸脫（Quart） 、波特爾（Pottle） 、加侖（Gallon） 。

此外還有更大的容量單位，例如配克（Peck） 、坎寧（Kenning） 、蒲式耳（Bushel）；以及更小的容量單位，例如大杯（Cup）、及耳（Gill） 、傑克（Jack） 、小杯（Pony）。

根據以上換算關係，我們可以瞧出兩點端倪：

1. 傳統英制容量單位之間都是倍數關係，典型的二進制；
2. 所有英制容量單位都是建立在「口」之上的。

「口」：喝下去、吐出來，單位跑出來

什麼是「口」？就是一小口。喝一小口紅酒，再吐到量杯裡，這個容量就是一口。

不停地喝，不停地吐，一口一口地累加，吐 2 口是一小杯，吐 4 口是一傑克，吐 8 口是一及耳，吐 16 口是一大杯，吐 32 口是一品脫，吐 64 口是一夸脫，吐 128 口是一波特爾，吐 256 口是一加侖，吐 512 口是一配克，吐 1024 口是一坎寧，吐 2048 口是一蒲式耳。

說到這兒，您會覺得噁心——那麼多、那麼高大上的容量單位，竟然要一口一口去量，多不衛生啊！

是的，確實不衛生。不衛生倒也罷了，最可怕的是不精準。

您想啊，人的嘴有大有小，小芳櫻桃小口，一口能吐 5 毫升；小強血盆大口，一口能吐 50 毫升。都是一口，差了十倍。即使是同一個人，每一口也不一樣大：喝清爽啤酒，一口能灌半斤；喝燒刀子，一口最多半兩。還是一口，又差了十倍。

《淮南子》有云：「寸而度之，至丈必差；銖而稱之，至石必過。」一寸一寸地累積，累積到一丈，微小的誤差會變成巨大的誤差；一銖一銖地累積，累積到一石，微小誤差會變成更加巨大的誤差。

寸和丈是古代中國的長度單位，十寸為一尺，十尺為一丈。從寸到丈，要累積一百次，假如每寸有一公釐誤差，那麼每丈就能差出 100 公釐，差不多和您的手機一樣長了。

銖是古代中國的重量單位，24 銖為一兩，16 兩為一斤，120 斤為一石（這裡的「石」是「禾石」簡稱，讀ㄕˊ；如果做為容量單位，則讀ㄉㄢˋ）。從銖到石，要累積 46080 次，假如每銖有一克誤差，每石就能差出 46080 克，也就是 46.08 公斤，差不多和極致瘦身的女模特兒一樣重了。

古代英國人把各種容量單位建立在「口」的基礎上，假如每一口只有一毫升誤差，當累積到品脫的時候，誤差 32 毫升；累積到加侖，誤差高達 256 毫升；如果累積到蒲式耳，誤差將是 2048 毫升。朋友們，二千多毫升，那是什麼概念？相當於三瓶紅酒啊！

設想一下，蕭邦的祖宗用一口一口吐酒的方式替您稱量，您受得了嗎？當然，人家也不可能用這種笨法子，應該是用標準量器去量。問題在於，當時所謂的標準量器，都是建立在「口」之上的，怎麼可能做到「標準」呢？

商家拿出來一只量杯，標的是一超品；顧客怕吃虧，也從懷裡摸出來一只量杯，標注也是一超品。兩只量杯一比較，顧客的量杯比蕭邦祖宗的量杯大得多，那怎麼辦？用誰的量杯？您堅持用您的，蕭邦祖宗堅持用他的，於是就爭執起來，紅酒沒有買成，買到一肚子氣。

用嘴測度容量，女王覺得母湯

1559 年，伊麗莎白一世登上英國女王的寶座，她發現了容量單位既不標準也不衛生的弊端，於是下令廢除用口稱量的野蠻傳統，並讓容量與重量相結合，重新定義英國的容量單位。

伊麗莎白一世是這樣做的：她保留了品脫、夸脫、加侖等傳統單位，但她讓這些容量與「口」脫鈎，與「盎司」結合起來。她規定，一品脫等於 20 盎司，一夸脫等於 40 盎司，一加侖等於 160 盎司。

盎司本來是重量單位，一盎司等於 360 顆大麥加起來的重量。伊麗莎白一世讓人用天平稱重，在一個托盤裡放入 360 顆成熟、飽滿、晒到乾透的大麥，在另一個托盤裡注入同等重量的清水，再把托盤裡的清水倒進玻璃杯，玻璃杯裡的清水有多少，做為容量單位的一盎司就有多少。

也就是說，一盎司既是 360 顆大麥的重量，又是與 360 顆大麥等重的一杯水的容量。

盎司確定了，品脫、夸脫、加侖也就確定了。稍做計算就能知道，一品脫的水與 7200 顆大麥等重，一夸脫的水與 14400 顆大麥等重；一加侖的水與 57600 顆大麥等重。大麥有大有小，但是將幾百顆、幾千顆、幾萬顆大麥混在一起稱重，得到的會是平均重量，可以抵消顆粒之間的一些誤差。

伊麗莎白一世用上述方法改革英國容量單位，至少有以下三種好處：

1. 新的容量單位不再需要用嘴測度，更衛生、更精準；
2. 讓容量與重量掛鈎，為進一步統一度量衡奠定了基礎；
3. 大麥是當時歐洲最常見的穀物，是最天然、最公平的容量測定標準，當交易雙方在量度上有分歧時，不用找標準容器，不用找政府裁決，隨隨便便抓一把大麥，找一架天平，簡簡單單測量一下，就能消除分歧，這對促進市場交易非常有幫助。

——本文摘自《從奈米到光年：有趣的度量衡簡史》，2020 年 2 月，時報出版