雙相浸沒式 超級PC冷卻秘技

在超級電腦與AI運算的軍備競賽中，最困難的挑戰既不是晶片製程節點、也不是演算法瓶頸，而是熱。當今單顆高階GPU熱設計功耗（TDP）已突破千瓦等級，散熱成了限制晶片發揮的關鍵挑戰。

原本運用在覈能反應爐的冷卻方式—雙相浸沒式冷卻（Two-Phase Immersion Cooling），如今正走進資料中心與高效能運算（HPC）的舞臺中央。這項技術不僅是超級電腦的隱形武器，更可能改寫未來全球AI與HPC的資料中心硬體設計版圖。爲此，經濟部產業技術司積極佈局國內散熱技術能量，支持工研院與國內業者投入研發與測試，助臺灣資通訊產業搶佔先機。

不同於傳統氣冷或單相水冷板技術，雙相浸沒式讓伺服器直接「浸泡」在絕緣冷卻液中運行。這些冷卻液具備電氣絕緣性，沸點通常落在40至60℃。當晶片發熱時，液體吸熱後沸騰產生蒸汽泡，蒸汽泡上升接觸到冷凝器，冷凝器將蒸汽降溫凝結，凝結後的冷卻液再度迴流，形成自然循環。整個過程發生在封閉液槽內，不需大量風扇與風道，傳熱效率更是傳統氣冷的數十倍，不僅能解決高階晶片的散熱問題，也能大幅降低資料中心的能源消耗。

此外，相較於冷板水冷，雙相浸沒式冷卻具備有全面冷卻、架構簡潔與能耗降低等顯著優勢。首先，它能均勻覆蓋所有元件，不僅僅針對CPU或GPU核心，連同電源模組、記憶體與網路卡都能獲得高效散熱。其次，因爲免去了複雜的冷板、水管與接頭設計，系統結構變得更簡潔，維護成本降低。同時，由於伺服器不再需要大量的高速風扇，大幅減少噪音與能耗，可以讓整體能源使用效率（PUE）更接近理想值。對資料中心而言，這不只是解決高功耗的技術，更是提升能源效率與永續發展的長遠策略。

市場研究機構Business Research Industry調查，全球資料中心浸沒式冷卻市場2025年規模將達12.4億美元，並以27.94%的年複合成長率（CAGR）擴張，2034年將突破39.8億美元。雖然相較於冷板式液冷，浸沒式需要重新設計機房的基礎建設，短期市場滲透率不及冷板技術，但長期成長潛力仍被高度看好。

推動這股浪潮的動能主要來自三方面。第一，AI晶片發熱量正快速上升，最新一代GPU發熱量已達1,200W以上。第二，全球永續環境趨勢下，節能法規與碳中和目標將推動資料中心採取更低PUE的散熱方案。第三，高算力密度的空間要求下，雙相浸沒式的高密度伺服器部署特性，非常適用於未來小型化與模組化的推論型AI資料中心需求。

不過，目前雙相浸沒式在市場導入的進程中，仍存在環境、成本與標準化三大難題。首先是冷卻液成本高昂，雙相浸沒式的冷卻液爲氟化類液體，這種全氟／多氟烷基物質（PFAS）氟化液在歐盟已面臨逐步禁用壓力，更環保與符合安全要求的新型冷卻液開發刻不容緩。此外雙相冷卻液的價格高昂，如3M Novec™每公升可達數十美元，高昂的冷卻液成本支出，造成多數業者維持觀望的態度。最後，浸沒式技術在冷卻液與伺服器之間的材料相容性，以及可靠度測試及安全規範仍缺乏統一標準，這也延緩這項冷卻技術的市場化腳步。

面對挑戰，經濟部產業技術司已補助工研院，針對雙相浸沒式進行晶片沸騰器、腔體冷凝器與性能驗證用腔體平臺開發，爲雙相浸沒式奠定本土研發基礎。雙相浸沒式不僅是超級電腦的冷卻秘技，也可能是AI與高密度運算的必備核心技術。

在可見的未來，隨着散熱設計提升、冷卻液材料的環保創新，與系統規範標準化，這項技術有望逐漸貼近市場，對未來的超級電腦與高算力AI應用而言，雙相浸沒式冷卻或許就是打開下一個十年的關鍵鑰匙。（作者是工研院電光系統所正工程師暨專案經理）