AI時代，算力即競爭力，然而散熱需求也隨算力增加，近年AI晶片功耗動輒達千瓦等級，散熱需求已逼近傳統氣冷系統的天花板，業界在「昂貴且具風險的液冷」與「效能受限的氣冷」之間舉棋不定。工研院研發「3D鋁製微流道熱虹吸散熱器」，可延伸氣冷極限至1,600瓦，終結這場零和賽局，獲2026愛迪生銀牌獎榮耀。
許多人熱愛虹吸式咖啡的香醇細緻，但熱虹吸原理不只能煮出好咖啡，運用在AI伺服器的散熱技術上，有效突破當前氣冷主流－立體均熱板（3D Vapor Chamber；3D VC）的解熱天花板，將解熱能力提升33%，成本卻降低4成。
工研院綠能系統與環境科技研究所研發「3D鋁製微流道熱虹吸散熱器」（3D Aluminum-Microchannel Thermosyphon Heat Sink），一改3D VC的毛細結構，將熱虹吸原理應用在工作流體的循環上，結果發現，無論散熱效率或成本都展現強大優勢，大幅延伸氣冷適用範圍，是效能與經濟平衡的新世代散熱方案。
AI算力爆發 解熱需求成顯學
隨著GPU技術從NVIDIA的A100、H100進化至B100、B200系列，晶片的發熱密度急速上升。在有限的伺服器空間內，如何有效移除晶片熱量已成為業界一大挑戰。
工研院綠能與環境研究所研發經理張文鏵與其團隊成員，深知產業界對於低風險、高可靠且價格經濟散熱方案的渴望，因此選擇在氣冷上嘗試與過往不同的技術，來提高其解熱效能，成功將傳統氣冷散熱器的解熱能力更為提升。
「不選擇水冷／液冷方案，是因為其解熱能力雖強，卻伴隨著高昂成本與漏液風險。」張文鏵說明，一個伺服器機櫃內可能含有上千個用於水冷散熱的快接頭，只要其中一個發生滲漏，就可能導致主機板短路及整台伺服器故障。「雖可安裝感測器來監控快接頭，但整體維護成本就提高了。」
張文鏵表示，傳統氣冷散熱主要依賴「毛細結構」帶動工作流體回流，但毛細結構本身具有流動阻力，當解熱需求超過800至1,000瓦時，流體回流速度若趕不上蒸發速度，會導致「乾涸」（Dry-out）現象，造成晶片溫度飆升；一旦超過攝氏85度就會降頻，影響算力。
考慮到毛細結構的流體阻力較大，熱虹吸原理是靠重力與蒸氣壓力推動液體回流，張文鏵與團隊一開始投入熱虹吸式散熱，歷經多次驗證，最大熱傳量可達1,600瓦，超越市面上的3D VC產品，並於2024年申請多國專利。
無毛細結構、連通腔體設計是最大亮點
張文鏵揭露這項技術設計上的多處巧思：首先，鋁製微流道搭百葉窗鰭片，提高空氣側散熱能力。相較於傳統圓型熱管阻擋風流、產生氣流無效區，團隊採用扁平流道設計，2mm～3 mm的薄管讓空氣得以順暢流過鰭片，將熱能帶走。
第二，池沸騰（Pool Boiling）與熱虹吸設計，使蒸發／冷凝快速自循環。散熱器內部是一個封閉腔體，注入工作流體。當晶片發熱時，液體受熱沸騰轉化為蒸氣，蒸氣帶著熱量迅速上升至鰭片端冷凝成液體，再靠重力滴落回流至蒸發端。由於內部無毛細結構，流動阻力低，循環速度遠超傳統熱管。
第三，獨家「連通腔體」設計，利用蒸氣壓力順向流動優化，這是有別於其他熱虹吸式散熱特色。3D鋁製微流道熱虹吸散熱器頂部設計一連通腔體，當蒸氣向上衝入後，腔體會將蒸氣與冷凝液體均勻擴散到整個散熱器，再一起順向回流至蒸發端，解決傳統熱虹吸中蒸氣與液體反向碰撞產生的流阻問題。
第四，全鋁設計，其重量僅為傳統銅製散熱器的一半，有助減輕伺服器機櫃負荷；鋁材料成本僅約銅的四分之一，整體生產成本比傳統銅製氣冷散熱器減少40%。
氣冷逆襲 效能與成本的最佳展現
工研院團隊在2025年初完成第一代產品雛型打樣後，持續透過鋁製焊接、鰭片焊接、微流道與內部支撐結構等製程優化，提升產品的性能與可靠度。以NVIDIA B200伺服器進行實測，在相同的環境溫度與風量下，鋁製熱虹吸散熱器的最大熱傳量比銅製3D VC提升33%，晶片表面溫度也比3D VC降低約15度，熱阻值優化27%。目前研發團隊已接獲伺服器及晶片大廠合作邀約，針對其需求持續改善技術效能。
張文鏵指出，因團隊手握多項專利，並具大幅改善現行3D VC氣冷散熱的實測數據，才能在競爭激烈的愛迪生獎「資料中心解決方案」類別中脫穎而出，成為亞洲唯一在該類別獲獎的團隊，證明臺灣在散熱技術上的創新實力。
研調機構Omdia統計，2025年全球伺服器散熱市場規模達120億美元，氣冷占79%，儘管液冷系統逐年成長，但廠商對成本與效能仍相當敏感。張文鏵樂觀表示，液冷單位成本較氣冷倍增，若氣冷能延伸應用範圍，相信仍能取代部分液冷市場。研發團隊已在籌備成立新創公司，搶進快速擴張中的伺服器散熱市場。
（本文是由作者工業技術與資訊授權轉載）
