散熱COOL算力／低壓冷媒兩相流冷板 揭開AI頂級算力封印

【撰文／陳怡如】

隨著NVIDIA新一代AI平台Vera Rubin（VR200）問世，晶片熱功耗再創新高，形成新世代高密度運算難以突破的「熱障礙」。工研院創新研發的「低壓冷媒兩相流冷板」技術，透過高效率冷媒相變換熱機制，與冷板上精心設計的微流道，將單一晶片解熱能力推升至2,400W，成功躍過「VR」熱障礙。

NVIDIA以AI晶片領導者之姿，定錨AI伺服器業界標準。2024年，Blackwell架構正式宣告液冷世代的來臨；2026年，針對Vera Rubin平台再度提出「45℃溫水即可散熱」的先進概念，並展現微流道（Micro-channel）設計在高功率晶片散熱系統中的巨大潛力。

工研院近期開發完成的「低壓冷媒兩相流冷板」技術，屬於直接液冷（Direct Liquid Cooling；DLC）架構，利用低壓冷媒在冷板內直接接觸高熱通量晶片，受熱後迅速汽化產生相變效應，大量吞噬晶片熱量，藉此提升散熱效率。工研院綠能與環境研究所資深工程師梁庭槐表示，「相變過程帶走的熱量，約是傳統單相液冷架構的5到10倍」。他比喻，單相冷板就像以冷水沖手，帶走熱量有限；而兩相冷板則像在皮膚擦酒精，當酒精快速揮發，能立刻感受到冰涼感。

由於兩相流的解熱能力驚人，吸引全球高功率晶片散熱領域爭相投入研發，工研院目前已率先完成「低壓冷媒兩相流冷板」技術開發，其單晶片解熱能力已突破2,400W，透過高效率相變潛熱機制，在相同解熱規格下，所需的冷卻流量相較傳統液冷架構，可實現超過40%以上節能效益。

兩相流冷板優化設計　破解氣阻與乾燒硬傷

液體的相變雖然可實現極高效率散熱效能，但液體汽化／沸騰過程中，容易衍生「氣阻」（Air Lock）與「乾燒」（Dry-out）等關鍵技術挑戰。研究團隊指出，冷媒沸騰會產生大量微小氣泡，若氣泡無法快速排出，便可能會融合成大型氣泡阻隔晶片表面換熱，隨之便引發乾燒，「一個是因，一個是果。」

為此，團隊在冷板內施展結構巧思。首先打造無數微流道，梁庭槐比喻，就像在冷板內建「高速公路網」，將散熱面積擴大數倍，迫使冷媒在極窄的空間內產生劇烈擾動，抑制氣阻問題。

其次是「流道漸擴設計」，流道入口窄、出口寬，給予氣體更大的排出通道以防氣阻。第三項關鍵技術則是「交錯式流道」設計，將出入口交錯排列，利用外部泵浦打入流體時產生的壓差，讓系統主動實現「單數流道向左流、雙數流道向右流」的機制，當各個微小流道在不同方向交錯流動時，流道之間能自發性地進行熱量與溫度的平衡，確保液態冷媒能多向補充至高熱區域，避免局部乾燒與熱失控。

為了讓氣泡更容易產生，提升沸騰換熱效率，團隊研究亦利用3D金屬列印技術，在流道表面製作厚度小於0.1毫米的微孔隙結構，主動誘發氣泡生成。梁庭槐將其比喻為「氣泡的種子」，如同預先在金屬表面埋下成核位置，讓氣泡能依循著特定位置快速生成並脫離表面，加速沸騰換熱過程。

選用下世代主流冷媒　低壓安全又環保

除冷板結構設計外，團隊選用的冷媒，也兼具多重優點。液冷最怕液體洩漏造成電子元件損壞，故此冷媒具備低導電性和高揮發性，即使發生微量洩漏並接觸到電子元件，也不會造成短路或損傷，可作為晶片系統重要安全防護機制。

此外，此冷媒在常壓下沸點只有18°C，一旦曝露在25°C的機房環境中，會迅速汽化為氣體，並自然擴散由空調排風系統帶走，不會在設備內部積存造成腐蝕。該冷媒同時也是全球下世代主流環保冷媒，符合國際環保法規，還具備成本優勢，相比浸沒式冷卻液，成本只有十分之一，更具產業導入優勢。

最重要的是，此技術採用「低壓運作」設計，低於現行多數資料中心的耐壓範圍，可直接沿用既有架構，無須大幅改造機房設施，更易落地。相較高壓冷媒系統，較低的操作壓力亦能有效減輕接頭與管路的密封負擔，降低爆管、滲漏等風險，安全性更高。

目前這項技術已完成一對一兩相流冷板性能驗證，面對下一步的商用化與產業落地，研究團隊表示，現已與多家國內散熱領導企業，展開不同層次的技術整合與前期合作開發，涵蓋核心冷板製造、冷卻液分配單元（CDU）、關鍵零組件與介面材料、系統測試與驗證等。「現階段目標是全面展開技術布局與跨域合作，打造一條全新完整的兩相冷板產業鏈，這是改變資料中心產業的一大機會。」