AI全面引爆全球資料中心的算力大戰，在幾無上限的矩陣運算背後，緊接而來的是排山倒海的晶片熱浪。當熱量成為限制效能的天花板，這場沒有煙硝的「散熱革命」正快速蔓延，在散熱領域占據主導地位的臺灣，能否在持續上升的算力與熱功耗中，持續以「冷酷」制勝AI時代？
AI狂飆的時代，決定科技競賽勝負的關鍵，不只有晶片效能和算力革新，機房中的發燙晶片能否在毫秒內快速冷卻，也攸關成敗。散熱，這項過去在科技產業中被視為周邊配角的技術，如今已躍升為決定AI發展的主角。
散熱需求一直存在，為何在AI興起之後，成為全球科技巨頭關注的焦點？工研院綠能與環境研究所副所長鄭名山給出了直接答案：這是一場關於「熱密度」的極致考驗，「現在GPU的熱密度在相同面積下，產生的熱太多了。」
過去CPU每一平方公分的發熱功率大約只有30到40W，但在運算速度與效能不斷推進下，在同一個封裝內塞入越來越多的晶片，現在GPU的熱點（Hotspot）每一平方公分的熱密度已飆升到200W；單晶片的熱設計功耗（TDP）也從前兩年的1,000W、1,500W，如今已推升至驚人的2,300W。過往的散熱技術已達極限，一旦熱排不出去，直接影響AI伺服器的效能，甚至成了限制AI技術發展的天花板，「現在散熱變成一個顯學。」
成本低、易維護 氣冷為當前主流
面對不斷攀升的熱量，散熱技術也不停演進。目前常見的散熱技術分為氣冷和液冷（冷板／浸沒式）兩大類型，氣冷發展歷史最悠久，原理也相對直覺簡單：利用風扇強制對流，將空氣引導至散熱鰭片或導熱管，把熱能從晶片帶走。
鄭名山指出，氣冷的優點是成本低、結構相對簡單、安裝維護容易，目前傳統的資料中心大都仍使用氣冷散熱。一般氣冷使用均溫板（Vapor Chamber；VC）覆蓋於封裝好的晶片上方，可迅速將晶片產生的局部高溫「攤平」，並擴散到整個平面，再由風扇與散熱鰭片將熱量帶走。
但當晶片熱功耗越來越高時，傳統均溫板在傳導熱量的速度上，開始跟不上晶片發熱的速度，也因此均溫板成了各界不斷突破的目標，比如更進階的3D VC技術。但無論如何突破，氣冷始終面對物理極限，空氣質量輕、密度小，能帶走的熱量比密實的液體少，因此氣冷的解熱極限，單顆晶片散熱模組大約落在500～800W左右，這也讓散熱介質開始從氣體跨入液體，出現了液冷技術。
液冷是明日之星 雙相解熱優於單相
在液冷中，又分為冷板與浸沒式兩種方式，前者是將冷卻液引導至晶片上的冷板中，吸熱後再將熱水循環帶至外部進行熱交換；後者是將整台伺服器或主機板直接浸泡在特殊的不導電冷卻液中，讓冷卻液直接接觸晶片表面進行散熱。
在這兩種方式中，又進一步區分為單相與雙相技術。所謂單相意指冷卻液從頭到尾都保持著相同的物理狀態（相態）－流進來是液體，流出去也是液體；而雙相則是指液體吸收大量熱能後，相變為氣態，所吸收的熱能遠大於單相，解熱效果更好。
液冷最大的優點就是解熱能力比氣冷好，冷板與浸沒式兩者相差不遠，單相約可達單顆晶片1,000至2,000W，雙相則更高。相比浸沒式因需全伺服器浸泡，一般維修與維運成本較高，還要顧及氟系冷卻液揮發等環保問題，而其優點在於現階段PUE更低；冷板在結構上更容易被現有資料中心接受，導入門檻較低，目前單相冷板為液冷市場大宗。
鄭名山進一步說明，雙相不管在冷板或浸沒式上，因設計相對複雜，又牽涉到相態變化，仍要克服諸多技術挑戰，目前還未真正商業化。但整體來說，液冷因解熱能力更好，「成長非常快速，預期2到3年後可成為散熱市場主流。」
從熱源下手 前瞻技術走向晶片內散熱
雖然散熱技術不斷演進，但不論是氣冷或液冷，本質上仍是從晶片封裝外來解熱。鄭名山指出，過去的散熱問題，從晶片至散熱器的「外熱阻」可能占7、8成，晶片內部的「內熱阻」占2、3成，但當未來晶片熱功耗從2,300W朝向4、5,000W邁進時，內熱阻反而占了7、8成關鍵，因此眾人開始將目光放在發熱源頭，直接從封裝內的晶片下手，從根本解決散熱問題，於是催生了新興的微流體技術（Microfluidics）。
微流體的基礎原理，是在晶片內加工出微米級的細微流道，讓冷卻液極度貼近熱源，大幅降低熱阻，提升傳熱效率。前瞻的微流體技術目前仍在發展中，解熱極限未知，鎖定未來極高階的AI資料中心應用，但鄭名山也直言，「散熱廠大多處理的都是封裝外的熱，封裝內是半導體廠的事，大概只有半導體巨頭有能力研發。」
雖然微流體代表著未來，但這並不意味著傳統散熱技術將被淘汰。從整體資料中心的生態來看，氣冷、液冷與微流道將會互補共存，比如熱密度極大的GPU需要高階的液冷或微流道（Micro-channel）；而周邊的電子元件則用氣冷最符合成本效益，這場由AI引爆的全球散熱革命，未來商機只會越來越大，而這正是臺灣的機會。
鄭名山指出，全球高達8到9成的伺服器由臺灣製造、代工，連帶也帶動周邊的機櫃、風扇、機殼和散熱技術，形成獨步全球的散熱產業，在全球市占率高達7成，握有主導地位，供應鏈也極其完整，有人專精風扇、有人研發導熱膏、有人生產鰭管，也有人做冷板與系統整合，這種無縫合作的生態系，即使在未來AI時代，「臺廠在散熱還是很有話語權的！」
除了不斷追求散熱技術創新外，鄭名山也看好工業標準的建置，比如液冷系統中的接頭，如何在無數次的高壓插拔下確保不漏液，或是讓不同廠商的接頭能夠適配，諸如此類工業標準和環境的建置，也是臺廠的機會。
從晶片、模組到系統的完整散熱解方
面對未來動輒數千瓦、甚至直逼物理極限的散熱需求，工研院也全力投入前瞻、多元的散熱技術研發。比如今年榮獲愛迪生銀獎的「3D鋁製微流道熱虹吸散熱器」，拿掉傳統3D VC的毛細結構，將熱虹吸原理應用在工作流體的循環上，流動阻力低，循環速度遠超傳統熱管；再搭配鋁製微流道搭百葉窗鰭片，提高空氣側散熱能力。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。
另一個專注於改良均溫蓋板（VC Lid）的技術，有別於普遍採用的實心銅蓋板（Cu Lid），團隊將均溫片用作晶片蓋板，透過均溫片真空腔內液體的蒸發、冷凝熱循環，達到快速導熱效果，提升晶片散熱效果30%以上，突破千瓦級水準。還有「雙相浸沒式冷卻技術」，讓冷卻液直接接觸發熱元件，透過冷卻液的蒸發冷凝來散熱，可提供超過1,500瓦散熱能力。
針對全球市場競逐的雙相冷板，工研院也研發出「低壓冷媒兩相流冷板」技術，在冷板內打造獨特的微流道，擴大散熱面積，也避免氣體阻礙冷卻液流動而產生氣阻問題；同時採用低壓冷媒架構，有效降低高壓液路帶來的洩漏風險，且由於冷媒不導電，一旦洩漏，仍可確保伺服器與零組件不會損壞，目前單晶片解熱能力已成功達到2,000W，2026年目標提升至2,500W。
除了優化散熱結構和模組，另有團隊投入創新的冷卻液、導熱凝膠研發，以及應用於資料中心機櫃、機房的EC陣列風機解決方案，都在提供更環保、更省電、更具韌性的資料中心散熱解方。
散熱從「單點解方」走向「多層整合」
工研院從不同層級各個擊破散熱難題，顯示散熱發展趨勢正從「單點解方」走向「多層整合工程」。工研院產業科技國際策略發展所產業分析師陳祉妤表示，散熱不再只聚焦在單一元件或模組的優化，而是需要多重系統與層級的搭配，從晶片層級的熱界面材料、蓋板，到氣冷、液冷的模組散熱，再到機櫃層級的冷卻液分配單元（Coolant Distribution Unit；CDU）、熱交換器，與資料中心層級的冷卻水系統、熱回收整合和機房循環，串起從晶片、模組、機櫃到機房等不同層級的散熱路徑。「未來散熱廠也必須與半導體和其他設備業者深度協作，因此跨域整合是關鍵能力。」
當算力無止境攀升，散熱已躍為AI競賽中的關鍵優勢，誰先掌握跨域整合的能力，誰就有機會在這波由熱能重塑的競爭中脫穎而出。在強大金屬精密加工業的奧援下，從晶片、散熱零組件、模組到機櫃、伺服器，臺灣散熱供應鏈占據了絕佳的位置，「相信未來透過跨域共創，臺灣將有機會從『散熱元件供應』邁向『高階系統解決方案出口』，進一步拓展車載、衛星通訊、邊緣運算乃至國防等高效運算散熱市場。」
