從液冷鼻祖IBM 497號專利看現代液冷伺服器

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芮嘉瑋╱財團法人中技社科技暨工程研究中心主任

現代資料中心的冷卻體系最早可追溯至 1960 年代的「電腦機房」，當時受限於低運算密度，傳統氣冷方案足以應付需求。雖然浸沒式液冷技術早在 1940 年代便已應用於高壓變壓器（high-voltage transformers），而 IBM 亦於 1960 年代率先針對大型主機開發出首套直接液冷系統（Direct Liquid Cooling）。然而 1980 年代 CMOS 晶片每瓦效能提升且電壓與熱量降低，加上空氣冷卻具備低成本優勢，使液冷技術一度淡出主流[1]。隨着AI運算功率飆升與摩爾定律趨緩，現代資料中心已面臨單一機櫃跨越50kW散熱臨界點的挑戰，傳統氣冷方案已達極限。在AI晶片極端熱密度與嚴苛PUE節能指標的驅動下，半世紀前由 IBM 497 號專利奠定的直接液冷技術，正從歷史配角轉身成為定義現代資料中心規格的核心關鍵。

1960 年代：IBM 開創水冷技術先河

IBM首次將水冷技術應用於電腦運算可追溯至1966年。當時IBM推出了 System/360 Model 91，這是當時運算速度最快、效能最強大的大型主機。該型號專為太空探索、理論天文學、次原子物理（subatomic physics）及全球天氣預報等高強度科學應用而設計[2]。由於其處理速度極快，運算產生的熱量遠超當時傳統風扇冷卻的極限，IBM 遂開發了一套專門的冷水循環系統以維持運作，這使System/360 Model 91於 1967年正式運作時，成為全球首批採用液體循環冷卻的電腦。

此技術開發過程中，IBM 著名的熱傳導專家 Richard C. Chu扮演了核心角色，並於 1960 年代末至 70 年代初發明並申請了多項奠基性的液冷專利。其中最具代表性的專利包括美國專利號US 3,524,497 A（簡稱497專利）[3]，專利名稱為「液冷系統中的熱傳遞（Heat Transfer in a Liquid Cooling System）」，此專利係由IBM公司於1968年4月4日申請，並於1970年1970年8月18日獲證。此專利描述了如何透過特殊的「擾流柱」設計提升熱交換效率，為IBM在1960年代開發System/360 Model 91時期的關鍵液冷技術之一。

配合圖示說明該項發明

依據497專利代表圖示說明該項發明，請見圖1。如圖中FIG.1與FIG.2所示，本發明之一液體冷卻組件（liquid cooling assembly, 12）包含一第一壁14與一第二壁16，該第一壁14與第二壁16彼此平行且間隔配置，並共同界定一狹窄流道（narrow channel, 18），供冷卻液20於其中流動。複數個冷卻柱（cooling studs, 24）係固定連接於所述第一壁14，並自該第一壁14向所述流道18內延伸，且以間隔且大致平行之方式排列，其中每一冷卻柱24之一端承載至少一電子元件22，使該電子元件22於運作時所產生之熱量可經由所述冷卻柱24直接傳導至流經所述流道18之冷卻液20。再者，複數個擾流柱（turbulator studs, 28）係固定連接於所述第二壁16，並自該第二壁16向所述流道18內延伸，且與所述冷卻柱24呈大致平行配置，所述擾流柱28相對於所述冷卻柱24以間隔且交錯（staggered）之方式排列。藉由上述結構配置，冷卻液20於流經冷卻柱24時，會受到擾流柱28的干擾作用，使流場中的湍流（turbulence）程度顯著提升，並促使冷卻液沿冷卻柱24表面導引流動。此一流動行為可有效延遲冷卻液邊界層（boundary layer）於冷卻柱24後側的分離位置，進而抑制渦流（eddy currents）的形成，同時增加冷卻液20與冷卻柱24之間的有效熱交換面積。因此，即使在較低冷卻液流量條件下，仍可實現整體熱傳效率的明顯提升。

進一步如FIG.2 所示，所述擾流柱28具有多個曲面（curved surfaces, 30），各曲面30分別朝向相鄰之冷卻柱24，且於所述擾流柱28與冷卻柱24之間形成受控之冷卻液流道（flow passage, 32），以同時增強冷卻液20於冷卻柱24周圍之流動湍流程度，並控制冷卻液沿冷卻柱24表面之流動路徑，使冷卻液能沿冷卻柱24表面流動更長距離，進一步提升熱量由冷卻柱24向冷卻液20之傳遞效率。

如FIG.3 與FIG.4 所示，在另一實施態樣中，所述擾流柱（turbulator studs, 52）係設置於一擾流柱板54上，且該擾流柱板54與另一結構壁共同界定一輔助流道（auxiliary channel, 56），供第二冷卻介質（secondary coolant, 58）於其中流動，以對所述擾流柱52及擾流柱板54進行輔助冷卻，使流經冷卻柱布置流道（stud-populated channel, 62）之冷卻液60所吸收之熱量可進一步傳遞至所述輔助流道56，可採用對流式冷卻或流動沸騰模式，視冷卻液種類而定。此外，所述擾流柱（28、52）可選擇性地同時作為冷卻柱使用，並於其連接之壁面側承載電子元件22，使各柱狀構件彼此兼具冷卻與擾流功能，從而在不增加冷卻組件12整體體積或封裝尺寸之情況下，提高可配置之電子元件數量與系統整體散熱效率。

497專利技術特徵：液體通道與冷卻柱（Cooling Studs）

497專利旨在解決高密度電子元件（如半導體）的散熱問題，其專利技術特徵包括液體通道與冷卻柱之設計。

（一）狹窄通道結構：由兩面平行牆面構成一個狹窄通道，冷卻液體被強制流經此通道；

（二）冷卻柱設計：電子元件直接安裝在導熱性良好的「冷卻柱」（通常為銅製）一端，而柱體則延伸進入液體通道中，讓冷卻液直接帶走熱量；

（三）邊界層控制：傳統冷卻會因液體流速差異在表面形成「邊界層」，阻礙熱傳導。此設計透過柱狀結構破壞邊界層，提高散熱效率；

（四）擾流柱與冷卻柱的交錯配置：這項專利最獨特的創新，也是可專利性的核心特徵，在於引入了擾流柱（Turbulator Studs）與冷卻柱在通道內以交錯方式排列配置（Staggered Relation）。擾流柱能增加液體的亂流（Turbulence），並控制液體流經冷卻柱時的「分離點」，使冷卻液能貼合冷卻柱表面更長的時間，從而增加亂流與延遲分離，顯著提升熱交換效率。此項核心技術特徵，增加亂流與延遲分離，可將冷卻效率提高42%。此外，該專利還提到可以在通道牆面後方設置第二個通道（輔助冷卻通道），通入如「冰水（Chilled Water）」等冷卻劑，進行二次熱交換。

這項專利的偉大之處，在於其將複雜的流體動力學簡化為可製造的幾何構件，這也是為何該技術能跨越 50 年依然適用的關鍵。

497專利獨立項解析：交錯擾流與特定幾何設計之權利範圍

497專利主張之專利權利範圍第一項（Claim 1）定義了其核心保護範圍，其技術特點在於建立一個由一組互相平行且間距微小的第一與第二牆面所構成的狹窄通道，並使冷卻液體受限於此通道內流動。在發熱電子元件的散熱配置上，該專利設計將元件安裝於導熱良好的圓柱形冷卻柱一端，並使其從第一牆面延伸進入流動通道中。為了大幅提升熱交換效率，通道內部設置了與冷卻柱平行且呈交錯排列的「擾流柱」。最關鍵的幾何特徵在於擾流柱具備四個弧形表面（Four Curved Surfaces），每個表面皆與鄰近的冷卻柱對應且曲率相同，藉此形成特定的流體通道，將冷卻液引導並限制在冷卻柱周圍，確保液體能與冷卻柱維持更大的接觸面積與路徑，進而有效破壞邊界層並增強熱傳遞（散熱）效能。

497專利的交錯擾流與流體限制技術，不僅創新突破熱邊界層，權利範圍更點出了該技術最核心的可專利性特徵—「圓柱形冷卻柱」與「四弧面擾流柱」之間的幾何設計，透過這種幾何耦合架構的設計來解決傳統散熱的物理瓶頸。這項技術成功地將電子元件散熱從單純的「浸泡」進化到了「精準流力控制」。

半世紀前的冷卻智慧，驅動今日的運算極限

綜觀 IBM 於 1960 年代所開發的 497 號專利，其「交錯擾流柱」與「精準幾何耦合」的設計，不僅是為了應對System/360 Model 91的科學運算熱量，更是將散熱概念從單純的冷卻介質浸泡，提升至流體力學層次的精確調控。儘管液冷技術在 1980 年代因 CMOS 低功耗特性而隱入歷史幕後，但在 AI 運算電力密度爆炸的今日，這份「微通道與擾流」的技術基因已再度回潮。今日常見的冷板（Cold Plate）微通道設計，其核心原理與 497 專利中透過擾流與幾何路徑增加熱交換面積的邏輯如出一轍。歷史證明，IBM 的早期研發並非僅是因應當時的需求，更已為半世紀後的液冷伺服器預寫了發展藍圖，成為今日液冷伺服器發展不可撼動的理論基石。

責任編輯：吳碧娥

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場】

備註：

[1] The Evolution of Datacenter Cooling , https://submer.com/blog/the-evolution-of-datacenter-cooling/?utm_source=chatgpt.com

[2] IBM Water-Cooling Technology Helps Computers Beat the Heat, Energy Costs , https://www.eweek.com/servers/ibm-water-cooling-technology-helps-computers-beat-the-heat-energy-costs/?utm_source=chatgpt.com#1966-ibm-embarks-on-water-coolin

[3] https://patents.google.com/patent/US3524497A/en?oq=US+3%2c524%2c497+A

作者：	芮嘉瑋
現任：	中技社科技暨工程研究中心主任
學歷：	清華大學奈米工程與微系統研究所博士中原大學財經法律研究所碩士台灣科技大學材料科學與工程研究所碩士
經歷：	工研院技術移轉與法律中心執行長室工研院電子與光電研究所專利副主委光電產業智權經理
專長：	長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。