AI散熱商機1／水冷、氣冷是什麼？一文搞懂解決AI晶片熱的「散熱技術」

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NVIDIA旗下Blackwell系列晶片GB200出貨在即，主打超強的水冷散熱功能，隨著AI大行其道，「散熱」成為新顯學。為何散熱重要，目前外界看好的水冷、氣冷散熱技術又是什麼，一文來看懂。

過去，緯穎董事長洪麗寗就曾說，隨著AI大發展，AI面臨的最大風險之一，就是算力無限電力有限，尤其，隨著AI運算需求不斷提升，放在伺服器與資料中心裡的晶片，也面臨巨大功耗與發熱挑戰，凸顯散熱的重要性。

Q1、散熱為何如此重要？

工研院產科國際所副組長熊治民表示，電腦系統之所以需要散熱，是因為半導體元件（如CPU與GPU）在運算時會消耗大量電力，而這些電力在運算過程中會轉換成熱能，「如果這些熱能無法有效排出，就會像爐子上不斷加熱的水，讓系統溫度升高到無法承受的程度，導致元件失效甚至整個系統壞掉。」

熊治民說，從2008年到2024年，伺服器內的處理器功率需求急速上升。過去處理器的耗電量大約為100多瓦，但現在已暴增至400瓦甚至更高，像Intel和AMD的高端處理器普遍需要350至400瓦的電力，而NVIDIA的最新GPU則突破了1000瓦。

這意味著散熱系統必須快速升級，應對這些高功率元件運行時所產生的巨大熱能。

Q2、氣冷、水冷是什麼？

1、氣冷好比開電風扇 贏在便宜

目前主流的散熱技術有兩種，水冷與氣冷，前者是利用風扇導引空氣流動來散熱，是成本較低且應用廣泛的方式；後者則是透過冷卻液來吸收熱能，適合高密度運算設備，散熱效率更高。

熊治民說，氣冷的運作方式可以想像成使用電風扇來降溫，基本原理類似電風扇或冷氣機的運作，「電風扇透過氣流流動，將熱量從設備表面帶走，而冷氣機則降低整個環境的溫度，」對於AI伺服器來說，散熱系統的核心目標是讓半導體元件的溫度維持正常，一般設定在70至80度左右，確保性能穩定不會因過熱受損。

在散熱系統中，散熱片、風扇是核心部件之一，散熱片通常由鋁或銅製成，這些金屬具有良好的導熱性。當伺服器運行時，CPU會產生大量熱量，這些熱量會通過散熱器傳導到散熱片上。

散熱片的設計通常具有密集的鰭片結構，這樣就能夠增加散熱面積，讓更多的熱量散發出去，而風扇則是負責吸入冷空氣，並穿過散熱片，將散熱片上的熱量帶走。

氣冷的設計優點在於低成本和高可靠性。由於系統中唯一活動的部分主要是風扇，因此機械故障的可能性較低，維護也相對簡單。

然而，氣冷也有局限性，為了有效帶走大量熱量，需要有較高的空氣流量，如果伺服器的體積無法滿足能夠流經的空氣量，散熱效果會打折扣。

2、液冷更能有效散熱 成本較高

這就衍生出另一種技術「水冷」或「液冷」，液冷通常使用水或特殊冷卻液來傳導熱量。與氣冷相比，液體的熱傳導性更佳，能夠更有效地帶走熱量。

液冷系統一般包括水泵、冷卻管道和散熱器，通過循環流動的液體將熱量從熱源傳導到散熱器上，然後再通過風扇將熱量散發到外部環境。

由於液體比空氣更能有效輸熱，這也讓液冷的散熱能力更好，特別是在高性能伺服器或超頻環境中，不過，液體成本相對較高，且需定期維護和檢查，防止漏液和其他潛在問題。

3、液冷的最高規格：浸沒式雙向水冷

儘管液冷能有效解決散熱問題，但隨著CPU功率的增加，現代CPU的功率已經從四、五百瓦甚至突破到一千瓦，這使得傳統的水冷系統難以應對高功率的熱量，因此，浸沒式水冷技術應運而生。

熊治民解釋，浸沒式水冷的基本概念是將整個主機板（包括CPU和記憶體）浸泡在不導電的冷卻液中。這種方式的優點在於，冷卻液能直接將熱量帶走，省去了傳統水冷系統中冷板的接觸延遲問題。

然而，這也帶來了新的挑戰：冷卻液的成本相對較高，因為其分子結構通常比水更複雜。

浸沒式水冷還可以細分為兩類，一是單向冷卻，將熱水透過外部散熱裝置冷卻後再回到系統中，另一則是雙向冷卻，類似於水的沸騰過程，當冷卻液達到沸點時，可以吸收大量熱量，進一步提高冷卻效果。不過，這種技術要求沸騰後的氣體能夠被有效冷卻並轉變回液態，這會增加系統的複雜度。

Q3、散熱產業機會在哪？

資策會產業分析師陳奕伶指出，台灣目前已經擁有全球相當完整的散熱技術生態系，約90％以上的資料中心伺服器由總部位於台灣的廠商供貨。

陳奕伶表示，隨著技術的進步，散熱效果也逐步提高，但系統的複雜性和成本也隨之增加，例如，浸沒式冷卻要整個伺服器需要浸入液體中，對金屬零件的相容性要求較高，特別是在雲端資料中心等，相當吃運行的穩定性。

像NVIDIA近期推出的GB200，任何微小的漏水問題，都可能對高價值產品造成重大損失，使得廠商對於冷卻系統的精密度有極高的要求。

但陳奕伶也說，雖然一些新技術已經出現，但並非每一台伺服器都需要高端的水冷系統。實際上，許多通用伺服器和中階AI伺服器仍然依賴氣冷系統，因為水冷的成本較高且存在較大風險。因此，從市場需求來看，水冷系統的發展仍然是從無到有，開始蓬勃發展，而中、低階的伺服器氣冷需求也在，這些對於台灣整體散熱產業來說，都是很好的發展機會。

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