工業技術研究院

AI算力快速推進，伺服器晶片功耗一路攀升，散熱技術已成為資料中心效能、可靠度與成本控制的關鍵門檻。工研院研發「3D鋁製微流道熱虹吸散熱器」，以獨創無毛細結構搭配的流體雙相循環設計，並具氣冷散熱成本優勢，將散熱能力推至與液冷同級的1,600瓦，為高功率AI伺服器提供高效、可靠的新解方。

全球AI軍備競賽白熱化，算力即是生產力，更是競爭力。當運算模型的參數呈指數型增長，資料中心卻也承受著前所未有的「熱壓力」。從輝達（NVIDIA）的A100、H100，一路推進至架構更龐大的B100、B200，單顆處理器的熱設計功耗（TDP）已正式跨越千瓦（Kilowatt）門檻。下半年即將大量部署B300晶片，TDP更上看1,400W，超越氣冷散熱極限，也宣告了液冷時代的來臨。

液冷雖具備極高的單位體積解熱能力，能有效壓低晶片溫度，但液冷系統的建置成本通常高出傳統氣冷方案數倍以上，且一旦冷卻液滲漏，可能導致核心電子元件短路損毀，形成災難性的營運中斷，液冷系統隱藏的成本與營運風險，往往令許多資料中心營運商望之卻步。

氣冷、液冷難兩全　破框思考現曙光

為了將散熱能力向上提升，並取得成本與風險的平衡，工研院研發「3D鋁製微流道熱虹吸散熱器」（3D Aluminum-Microchannel Thermosyphon Heat Sink），利用熱虹吸原理，降低內部熱阻與空燒（Dry-out）問題，搭配精心設計的鋁製微流道，達到與液冷同級的散熱效果，重新打開業界對AI伺服器散熱的想像空間。

面對AI算力朝千瓦級以上挺進，液冷系統又得面對冷卻液洩漏、以及與既有資料中心設計架構不相容的問題。「這正是團隊切入研發的起點。我們鎖定『延伸氣冷解熱能力』這條路徑，保留氣冷原本低成本、高可靠度與易維護的優勢，將散熱帶入千瓦級晶片以上的應用場景，」工研院綠能與環境研究所研發經理張文鏵說。

毛細結構OUT　解熱能力再躍進

如何讓散熱器的解熱能力再提升？張文鏵表示，現行3D均溫板（3D Vapor Chamber；3D VC）在晶片發熱時，工作流體會吸熱蒸發，將熱帶往冷凝端，仰賴內部的毛細結構（Wick）的吸力，將工作流體再帶回蒸發端。然而，毛細結構本身也會形成流動阻力；當熱通量持續升高，工作流體回流速度若跟不上蒸發速度，便可能出現空燒，導致最大熱傳量受限。

工研院「3D鋁製微流道熱虹吸散熱器」的關鍵創新，在於採用無毛細結構的雙相微流道設計。以「池沸騰（Pool Boiling）」與「熱虹吸原理」，當晶片熱源加熱蒸發端，工作流體受熱轉為蒸氣，沿光滑的微流道向上移動至鰭片端冷凝；冷凝後的流體再藉由重力與壓力分布回流至蒸發端，如此循環不已。

「這項設計讓管內雙相流體降低流動阻力，也使蒸發端克服傳統毛細熱管的沸騰限制。」張文鏵進一步解釋，毛細結構就像海綿。海綿可以吸水，這是它的優點；但如果要讓大量的水在短時間內快速通過海綿，海綿本身就會變成阻力。傳統 3D VC 也是如此，毛細結構能幫助液體回流，但在高熱通量下，也會限制液體補充與蒸氣排出的速度。拿掉毛細結構，腔體內無須動力也能改善工作流體回流，提升最大熱傳量。

鋁製微流道與鰭片　重量與成本雙降

在結構上，研發團隊以鋁製微流道搭配百葉窗鰭片，提升鰭片與空氣側的熱交換效率。相較傳統氣冷散熱器的圓型熱管配置，熱管後方會產生氣流無效區，團隊改採2mm～3 mm的扁平薄管，讓空氣得以順暢通過鰭片，把熱帶走；頂部的連通腔體，優化冷凝流體回流，散熱更均勻；全鋁設計同時節省材料與製造成本，重量僅銅製散熱器的一半，整體生產成本比銅製散熱器減少40%。

在NVIDIA HGX B200平台實測中，工研院3D鋁製微流道熱虹吸散熱器，在相同的環境溫度與風量下，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%。相較直接液冷（DLC），仍保有氣冷低成本、低維運風險與易導入優勢，兼具效能與經濟性。

目前，「3D鋁製微流道熱虹吸散熱器」已有完整專利布局，包括：臺灣、美國、中國大陸與歐洲等地，並完成設計模擬與打樣實測，驗證其作為高功率AI伺服器解熱方案的可行性，未來將成立新創公司，導入中高階伺服器散熱市場。

解熱能力達液冷　降維切入百億氣冷市場

「即使液冷市占率逐步成長，氣冷在整體市場中仍具高度產業價值，」張文鏵引述研調機構Omdia統計指出，截至2028年，全球伺服器散熱市場規模超過160億美元，氣冷占67%，仍在百億美元以上。對於希望在效能、成本與可靠度上取得平衡的資料中心客戶，3D鋁製微流道熱虹吸散熱器提供了彈性的選擇，也為臺灣散熱供應鏈帶進一股不可忽視的新勢力。