科研案例

大量GPU進行訓練與推理，產生極高熱能，如何有效降溫，決定資料中心能源效率表現
 

隨著人工智慧（AI）與高效能運算（HPC）應用蓬勃發展，全球資料中心的能源消耗快速攀升，散熱技術正面臨前所未有的挑戰與契機。特別是近期掀起話題的ChatGPT等生成式AI，需要大量GPU進行訓練與推理，其所使用的高階晶片功耗動輒千瓦以上，使得伺服器機櫃產生極高的熱能。散熱不再只是配角，而是決定AI算力能否穩定發揮、資料中心能源效率能否提升的關鍵環節。

高階晶片功耗所謂的「千瓦級」，指的是其熱設計功耗（Thermal Design Power，TDP），表示晶片在高負載運作時所產生的最大熱量，單位為瓦特（W）。TDP數值愈高，表示晶片在高速運作時發熱愈大，對散熱系統的要求也愈高。這項指標不僅影響伺服器運行穩定性，更是規劃AI資料中心時的關鍵考量之一。

自2017年以來，英特爾（Intel）、超微（AMD）、輝達（NVIDIA）三大晶片廠商旗艦CPU與GPU的TDP 均呈現大幅上升趨勢：Intel Xeon伺服器處理器從200W，預計到2025年提升至500W；AMD EPYC亦從180W躍升至500W，而輝達的資料中心GPU則從300W（V100）預期攀升至1,000W（B100／B200），成長幅度最高。這些數據反映出AI與HPC所需之運算密度快速上升，直接推升晶片熱設計功耗與散熱需求。
 

▲ 英特爾、超微、輝達旗艦晶片TDP變化趨勢。
資料來源：工研院產科國際所整理，2025年8月。
 

晶片功耗不斷提升，讓傳統依靠風扇與鰭片的氣冷方式，已經無法有效應對高熱密度的負載。產業界因此加速轉向液冷與雙相冷卻等更高效率的技術。尤其是當晶片的散熱設計功率（TDP）突破1.5千瓦時，傳統的單相水冷用水流方式帶走熱能，已漸顯不足，必須依靠液體氣化吸熱的雙相冷卻，甚至直接使用整機浸沒式液冷系統，也就是把伺服器放進特殊絕緣液體中，藉由液體的沸騰與冷凝循環來帶走熱量，才能有效且大幅提升熱傳導與散熱效能。

舉例來說，Supermicro在COMPUTEX 2025發表資料中心積木解決方案（DCBBS），以及新一代DLC2液冷技術。這套系統能以最高45°C的進水來提升冷卻效率，散熱效率高達98%，換句話說，它能降低約四成用電量、減少六成空間使用，並節省四成的用水量，讓總擁有成本（TCO）下降約兩成，且最快三個月就能完成部署落地。此外，Amazon Web Services（AWS）也於2025年公開其InRow Heat Exchanger （IRHX）液冷技術，這項技術最大優點是不用大幅改建既有機房，就能支援高功耗GPU的運行需求。

在全球散熱技術競賽中，台灣已是風扇、熱導管、散熱模組等關鍵零組件的主要供應者，相關產品市占率超過七成。憑藉深厚的電子產業基礎與政府的支持，近年來取得多項突破性進展，經濟部產業技術司也透過科技專案，長期聚焦於高效能運算與先進散熱技術的研發，並攜手工研院及其陽科技、一詮精密、廣運、復盛精密、訊凱國際、技嘉科技等國內企業，共同打造完整的AI伺服器散熱供應鏈生態系，努力讓台灣從「散熱元件供應大國」轉型為「高階系統解決方案出口者」。

其中一項代表成果「千瓦級蒸汽腔均溫蓋板」，是在晶片表面導入特殊設計的蒸汽腔均溫蓋板（VC Lid），利用水的相變化原理大幅提升熱傳導效率，單位面積帶熱能力達傳統銅質介面十倍，晶片散熱效果可提升三成至一倍。

目前這項技術已經打入美國高效能運算晶片大廠供應鏈，成為新一代高功率AI晶片的核心散熱解方。另一項突破則是「雙相浸沒式冷卻系統」，將整機設備浸沒在絕緣液體中，透過液體沸騰與冷凝循環帶走熱量，散熱能力突破過去單相浸沒式約600W的上限，一舉提升至1,500W以上，成功突破了現有散熱天花板，成為全球首創的千瓦級晶片冷卻技術。

從晶片到系統的完整散熱方案，台灣不僅掌握了尖端散熱技術研發能力，更能與國際大廠接軌合作，在經濟部產業技術司的推動下，千瓦級散熱模組與雙相浸沒式冷卻系統，也已成功應用於全球IC設計大廠，協助應對新世代高功耗AI晶片的熱管理需求，讓晶片穩定性與能源效率同步提升，在全球HPC產業鏈中占有一席之地。未來可望持續拓展應用至邊緣AI、車載HPC、國防通訊、高速資料交換與衛星地面站等高熱密度設備領域，強化我國在全球運算基礎設施供應鏈中的戰略地位。
 

作者：陳祉妤｜工研院產科國際所產業分析師

水與熱之爭，千瓦級技術上場
 

AI、雲端與高效能運算（HPC）的熱潮持續推升晶片功耗上限。十年前，伺服器處理器的散熱設計功率（TDP）多在200至300W，如今最新一代的AI加速器與高階GPU，單顆功耗動輒超過700W，新世代晶片甚至逼近1,400W。散熱，已從輔助角色變成「運算性能瓶頸的決定因素」。傳統氣冷技術雖然成本低，但受限於空間與效率，已難以應付千瓦級晶片的高熱需求。隨著算力不斷提升，液冷逐漸取代氣冷，成為新一輪資料中心競爭的核心技術。

液冷主要分為冷板與浸沒式兩種。市場研究機構MarketsandMarkets預估，全球資料中心液冷市場將從2025年的28.4億美元，成長到2032年的211.4億美元，年複合成長率（CAGR）達33.2%。其中，冷板液冷滲透率最高，預計2026年將應用於超過一半的新建高效能資料中心；浸沒式雖然比例較低，但在高密度部署中被視為有效解決方案。業界普遍認為，2025年至2027年將是液冷技術從驗證走向大規模商用的關鍵轉折期。

看準這股趨勢，經濟部產業技術司支持工研院及國內業者，展開冷板與浸沒式液冷的研發與實測，讓台灣能與國際同步接軌，並逐步進入國際供應鏈。其中，冷板技術已是液冷散熱的主流，透過冷卻液直接引導到晶片正上方的金屬腔微流道，藉此把熱帶走。若是單相冷板（Single-Phase Cold Plate），冷卻液在吸熱的過程中始終保持液態，系統穩定、控制容易，適合大規模部署。至於雙相冷板（Two-Phase Cold Plate），則是利用液體受熱後汽化的特性，能吸收更多能量，散熱效率比單相再提升，但設計和壓力控制的要求更高。

目前在NVIDIA合作的新一代AI伺服器方案中，Blackwell晶片已導入單相冷板系統，搭配高效熱交換器，實現單晶片千瓦級散熱。而AMD的Instinct MI300系列加速器晶片，也已針對液冷環境進行優化。

浸沒式冷卻是一種把整台設備直接泡在絕緣冷卻液裡的方式，能大幅減少風扇使用，非常適合空間緊湊、耗電量又高的運算環境。單相浸沒式的做法是讓冷卻液保持液態，靠循環泵（幫浦）把熱帶走，系統設計相對簡單；雙相浸沒式則是讓冷卻液在高溫下沸騰吸熱，蒸氣上升後再被冷凝器降溫成液體回流，散熱效率更高，甚至能處理單顆超過1.5kW的晶片。2024年時，日本NTT就在千葉縣建立「Data Center Trial Field」測試場域，同時驗證浸沒式與液冷系統，並在既有機房試行雙相液冷，尋找既能有效降溫又能節能的解決方案。

除技術突破，散熱的另一個重點在於能源效率與永續。晶片散熱不僅關乎性能，更攸關整體能耗。空冷機房的能源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）通常在1.6以上，而液冷系統可將PUE壓低到1.3以下，代表在同樣的晶片算力下，冷卻所需的電力支出會明顯減少。隨著全球推動碳中和與用電限制，液冷已不再是高性能運算的「錦上添花」，而是邁向千瓦級晶片的必然選擇。

因應高功耗晶片的散熱挑戰，技術司已藉由科技專案，支持工研院針對超高發熱晶片與高密度伺服器的應用情境，展開冷板液冷與浸沒式冷卻的全方位技術部署。千瓦級晶片的時代已經來臨，但過去令人頭痛的散熱難題，正在透過冷板與浸沒式等新技術逐步化解，未來AI伺服器與HPC系統發展將不再受限晶片散熱瓶頸。

冷板技術將成為大規模AI叢集的標配，而浸沒式則在超高密度伺服器與極端功耗場景中大放異彩。下一步產業將迎來液冷標準化、模組化與餘熱利用的新戰場，換言之，晶片性能的比拚，不再只是奈米製程與架構設計的競賽，也是一場關於「水」與「熱」的戰爭。千瓦級晶片散熱時代，已經來臨。
 

▲ 空氣冷卻與液體冷卻方案。
資料來源：工研院，2025年9月。
 

作者：簡恆傑｜工研院電光系統所正工程師暨專案經理
 

雙相浸沒式，超級PC冷卻祕技
 

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。

原本運用在核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）的舞台中央。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。為此，經濟部產業技術司積極布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，助台灣資通訊產業搶占先機。

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回流，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。
 

▲ 雙項浸沒式冷卻循環原理。
資料來源：工研院，2025年9月。
 

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，因為免去了複雜的冷板、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為氟化類液體，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台開發，為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，隨著散熱設計提升、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：簡恆傑｜工研院電光系統所正工程師暨專案經理