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請問一下學長學姊,上解剖課的時候屍體是自己帶還是學校發?–科學開封府

泛科市集的B編_96
・2016/09/13 ・7079字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 471 ・五年級

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從「科學」的角度解「開封」印在商品中的知識,就是我們科學開封府的職司。開封府內的胞大仁㜊妱公猻測會不定期介紹各種與科學有關的各種玩意,有時溫柔勸敗,偶爾龍虎狗頭鍘伺候剁手,不管怎樣,請您上座啦!

歡迎來到科學開封府,我是開封府的胞大仁,今天由我來跟大家聊聊「解剖」。

人活得好好的,解什麼剖?

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1617年的解剖課(Anatomy lesson of Dr. Willem van der Meer, 1617)。圖/By Michiel van Mierevelt, Public Domain, wikimedia commons.

說到解剖,十個人裡頭有八個人會想到大體老師,另外八個人會想到青蛙(咦?八個人加八個人不是十六……),其他像是「達文西」、「科學怪人」、「庖丁解牛」之類也都是提到解剖的時候會被聯想的關鍵字(好啦,其實都是我自己亂想的)。

其實解剖學歷史悠久,到現在更演變出多元樣貌。早在西元前 1600 年左右,當時某位熱愛抄筆記的埃及人根據更早之前,也就是西元前 3000 年前的埃及名醫印何闐——是的,就是那位會讓你想不斷喊他的名字的那位——所留下的資料,整理出了一份超長的醫學論文集。說它長,是因為真的很長,有 5 公尺那麼長,寬呢有 33 公分,而且還有分頁,17 頁寫在正面,還有 5 頁寫在背面。這份文件的第一位已知持有人,叫做艾德溫.史密斯,是個開羅的古董商,因此這份文稿以他為名,稱作《艾德溫.史密斯紙草文稿》。不過這個人不重要,我們就把它先忘了。

回到這份文件,既然它可以被稱為醫學論文,當然是因為它的撰寫方式十分科學,從「標題」、「檢查」、「診斷」、「治療」到「備註」分得清清楚楚,診斷還分成有容易醫治、不容易醫治以及無法醫治三個選項,這麼標準化的詳細記載方式,跟現在主流醫學的臨床診療指引也差不了多少。

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這份文件跟解剖的關係,就在於這是史上第一次在文件中指稱出「腦」這個器官,不但提及腦膜、脊髓及腦脊液等等部位,並載有降低顱內壓的開顱手術,可謂最早的神經外科醫學文獻。要知道,埃及人不重視大腦,他們做木乃伊的時候會把大腦從鼻孔鉤出來丟掉,體腔內的內臟則是罐裝保存,這也太差別待遇了吧。另外,這份文件裡頭還包括 90 個解剖學詞彙以及 48 篇外傷相關文章。要說這不是解剖學的起源,大概就沒別的了。

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埃及人製作木乃伊時會把內臟取出來,但會把大腦丟掉。噢不~大腦來世還是有用的阿!

後來解剖學的發展重地換成了希臘,解剖的英文 Anatomy 就是來自希臘文 ἀνατέμνω anatemnō ,意思就是「我割我割我割割割」(I cut up, cut open)。古希臘歷來有非常多人在解剖學上有所貢獻,包括「醫學之父」希波克拉底,跟什麼都會參一腳的亞里斯多德,亞里斯多德甚至被視為是比較解剖學的創始人,真是超級哲學家啊!不過呢我想要特別介紹的是西元前 3 ~ 4 世紀的希羅菲盧斯(Ἡρόφιλος,英文 Herophilos),他是被稱做是古代解剖學的創始者,是一位外科醫生,也是第一位有系統地對人體做科學解剖的科學家,當時他時常對活人做解剖,這些人都是罪犯。就這樣他剖了又剖,獲得了其他人無法企及的解剖學知識,例如他反駁了亞里斯多德,認為心智的所在不是心臟,而是腦,他是個實證主義者,認為知識要建立在真實可確認的證據之上,不過用這種方式追求真理的結果是被人指控,據說他進行的活人解剖超過 600 人,算得上大屠殺了。

後來歐洲進入中世紀,將近一千年在解剖學上沒有太大進展,那時候替軍人動外科手術的不是醫生,而是同樣有著銳利刀具的理髮師,所以他們成了解剖學的代言人。將近千年,歐洲的主流醫學一直是受到西元二世紀的古羅馬醫學家蓋倫的論述所支配,這麼一用就一直沿用到了十六世紀,到了近代解剖學之父安德雷亞斯.維薩里(Andreas Vesalius)才開始向巨人進擊,回到實證基礎,更正千年以來的錯誤。

後來到了十八世紀末跟十九世紀,解剖學又熱門起來,特別在英國,熱門到剛辦完喪事的屍體都會被小偷從墓裡頭盜走賣給學校上課用,比盜墓筆記還誇張,墓地還得特地蓋守望塔來監視小偷,當時的人顯然是沒有稱呼他們叫做大體老師的啦。後來經過法規制定跟醫學教學的改革,我們才進入了現代的解剖學。

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這麼哩哩拉拉的介紹當然是跳過很多細節,有興趣的朋友推薦你看兩本書,第一本書是蘇上豪醫師寫的《暗黑醫療史》,裡頭介紹了許多這一路以來醫學的跌跌撞撞,很多題目都跟解剖學有關,精彩有趣,值得一看。另外一本則是《我的十堂大體解剖課》,這是由美國康乃爾大學博士,現在慈濟大學醫學系解剖學科的教授何翰蓁根據第一手經驗所寫,非常值得推薦,看了就知道真的有人自帶大體老師去上解剖課啊!!!

解剖學有幾種?

解剖學是生物學的一支,與胚胎學、比較解剖學、演化生物學、系統發生樹研究等相關,又可以分成「巨觀層次」跟「微觀層次」,也就是直接用肉眼可以觀察的一種,跟透過光學儀器去看更小的細胞跟組織構造這一種,特別是後者,包括了我們都熟悉的 X 光、電腦斷層掃描(Computed Tomography,簡稱CT)、心血管造影、超音波、核磁共振等等醫學影像的技術,有點像是天文學家用各種光譜探索大宇宙,而醫學影像專家用各種方式探索身體內的小宇宙。

解剖學也可以用動物別來分,例如脊椎動物解剖學、兩棲動物解剖學、爬蟲類、鳥類、哺乳類、人類、無脊椎動物等等。另外也有所謂的表層解剖學(superficial anatomy),是一種不動刀解剖的解剖學,白話一點就是從外觀上看診。另外還有比較解剖學(comparative anatomy),白話就是把各種動物切了,跨物種來比較,前面提到的亞里斯多德,就是因為曾解剖了不同的動物做比較,就莫名其妙地成了比較解剖學的創始者了。最後啊,還有所謂的藝術解剖學(artisitic anatomy),顧名思義是為了藝術目的而做的解剖研究,這代表人物肯定就是達文西了。

為何要解剖青蛙?

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到底你們人類是為了什麼要解剖我呢?圖/By Orschstaffer, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

我跟很多台灣學生一樣,在唸書時曾經都要解剖青蛙,但最後也都不用解剖青蛙,因為基本上跟升學關係不大,所以就跳過了。當時沒覺得躍躍欲試,現在也不覺得遺憾,不過身邊還是有很多人曾解剖過,更別說念生科、念醫學的朋友,或是教生物的老師們了。

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對許多醫生來說,解剖青蛙是激起他們對生命熱情的重要時刻,但為何是青蛙?不是蟑螂或是老鼠呢?解剖青蛙其實是為了了解人類,透過觀察、碰觸和摸索身體裡頭這些不同的器官,可以了解器官們如何在身體裡頭運作,雖然青蛙跟人類完全是不一樣的動物,但複雜度接近,所以許多器官跟系統的運作模式是可以類比人類的,學生便於依此想像跟推論。

除了以蛙類了解人的目的以外,也可以透過解剖青蛙學習生態學跟演化。從青蛙的身體構造跟適應性可以看出牠們經過了怎樣的演化歷程,以讓自己在生態系統中找到一席之地,例如青蛙的舌頭那麼長又強韌,飛射出去的速度又快,老師就可以跟學生討論牠們是如何在那麼多樣化的棲地靠著舌頭找蟲吃,在這些地方扮演著什麼角色等等。

青蛙的尺寸不大不小剛剛好,在教室裡頭讓沒經驗的學生操作,還算是控制得了。另外,青蛙的壽命不算長,通常是看大小,短的一兩年,大一點的牛蛙雖然可以到十年,但也還好。要是解剖可以活很久的動物,心裡大概不太好負擔。最後,雖然整體來說無尾目(也就是蛙)有很多種類現在越來越少,但多的還是很多,有的還是侵略外來種,像是美洲牛蛙還有斑腿樹蛙等,就算以生態控制的目的來說也得殺,所以就順理成章成了解剖刀的目標啦。

有的老師是認為學生如果能真的動手解剖,更能把這門課牢牢記得(反之就跟我一樣完全沒記憶),也更能重視生命。然而這個理由恐怕是難站得住腳的。

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泛科電商_青蛙快打宣傳_20160913更新

解剖青蛙錯在哪?

前頭也說了,解剖青蛙一開始其實跟青蛙還真沒什麼關係,我們並不是為了想要了解青蛙的身體構造而解剖牠們,而是想要了解人類。對於生態跟青蛙演化的學習其實只是順便,是一種「既然都殺了一隻蛙,就趁機多學一點」的概念。

其實反對用青蛙教解剖的聲音也是不小,畢竟生命就是生命,如果可以請老師示範,或是用電腦 App 或是立體模型等等來代替的話,對大部分的學生來說,會不會就夠了呢?

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開啟青蛙解剖 app,你也可以用虛擬的刀一步一步解剖青蛙,不傷害活生生青蛙的方式,即使重來100次也沒有問題!

泛科學的作者賴亦德也曾經在個人的部落格上連續發表多篇,討論解剖青蛙與實驗動物的議題,他帶過很多學生做解剖,因此從中看到了不少問題。賴亦德認為教學本來應該與時俱進,但沒想到有少數老師就跟中世紀的理髮師一樣沒進步,用乙醚或是酒精來「麻醉」青蛙,沒想清楚青蛙的皮膚跟我們可不一樣,通透得可呼吸,這藥物一用下去,對蛙來說就不是麻醉,而是殘忍且痛苦地謀殺了。如此的話,學生恐怕在學會透過解剖來了解跟尊敬生命之前,就先重重傷了生命。

此外,根據對實驗動物的 3R 原則:也就是 Replace—— 如果可以不用動物就該避免,用其他方式;Reduce—— 如果可以減量就該減量;Refine—— 過程如果可以優化就該優化,降低痛苦。賴亦德也在〈關於脊椎動物解剖實驗:理想中的解剖實驗該怎麼帶?〉(以及該篇文章前的〈一點牢騷〉)中提出了他建議的實驗與教學目的的解剖動物做法,歡迎大家參考。他也不斷指出真正重要的還是教學雙方在做之前,都要更清楚為何要解剖?不要讓生命成為學生玩樂跟刺激的一次性可拋棄工具。

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剖了很多蛙之後,你知道牠們正面臨滅絕嗎?

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你知道很多我的同類就快絕種了嗎?還不快把我放下來!

常常聽見這樣的說法「當 XX 消失了,人類的末日也近了 」,XX 可以替換為蜜蜂、蝙蝠、鯊魚……等等,各有各的說服力,你大概也知道青蛙是其中常被拿來做為指標的物種,對人類的好處也很多。在 TED Ed 的〈青蛙消失和我有什麼關係?〉影片中就提到,青蛙對人類能有多少難以取代的價值(感謝 TEDx Taipei 摘要):

1.防止疾病傳播:青蛙會吃掉傳播瘧疾、登革熱和許多疾病的蚊子、蒼蠅和壁蝨,進一步防堵病菌無限擴張。

2.提供重要用藥的原料:青蛙皮膚上的抗菌胜肽能夠殺死人類的免疫缺陷病毒 (HIV),或做成防蚊液和止痛藥,讓我們不受疾病所苦。

3.生物指標:青蛙的皮膚極易吸收外界物質,因此當環境受到有毒物質污染,牠們的生命也會受到威脅,因此青蛙的存在是檢視環境乾淨與否的重要指標。

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4.食物鏈的重要角色:青蛙也是鳥、蛇和猴子等許多動物的食物,少了青蛙,食物鏈會受到影響,進一步讓動物圈面臨危機。

5.清潔水道:青蛙的幼蟲蝌蚪能吃掉藻類,讓水道保持乾淨,如此一來,我們就能降低對過濾系統的需求,也能減少水資源的消耗。

然而如今他們的族群面對驚悚的存亡危機,主要的原因,如我們都知道的,當然就是人類:

1.棲息地遭破壞:人類時時在與青蛙爭地,我們建造城市,砍伐樹林,流溼乾地,並將城市中僅有的一小片荒地改建成住宅,原來青蛙與兩棲動物的家被人類佔為己有,自然環境日漸減少,讓牠們無家可歸。

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2.使用化學藥劑:人類習慣在種植時使用大量的化學物質,尤其是除草劑,但是在使用前,這些藥劑在使用後多會流入兩棲動物生長的河道中,而牠們滲透力強大的皮膚就會輕易吸收這些毒物,因此讓牠們受到傷害。

3.氣候變遷:青蛙的習性是待在潮溼的環境中繁殖,而地球暖化造成極端氣候的情形日漸增加,各地常出現氣溫上升與乾旱的問題,首當其衝的就是兩棲動物。牠們的下一代不像鳥類有堅硬的殼,薄弱的保護層往往無法抵擋乾燥的環境,而無法讓下一代順利誕生。

4.過度捕捉:大量的野生兩棲動物被捕捉來當寵物之外,青蛙腿還常在世界各地被端上桌,成為人類滿足口腹之欲的食物。

5.外來種侵襲:許多人會購買外來的動物當作寵物,但是失去樂趣後又任意將牠們放生在非原生的環境中,這些外來的物種在陌生的地方繁殖,與原生種搶奪棲息地和食物之外,甚至可能侵略原生種,而使得許多在地動物消失。

6.細菌傳播:人類運輸上億隻兩棲動物到國外去,做為誘餌、實驗或觀賞之用,但是卻只有少數的法令規範這些動物在國際間往來,以致於「壺菌病」被帶進世界各地,而殺死許多兩棲動物。

上述這些蛙的困境,也是許多其他生物共同面對的。泛科學曾選書推薦的《第六次大滅絕》在第一章就以巴拿馬金蛙的故事開頭,如果你沒讀過,趕快去借或去買書來看。我只能說那是個恐怖的現實,壺菌已經席捲大半個巴拿馬的雨林,蛙類正以極快的速度消失。保育人士真的就像是神奇寶貝(精靈寶可夢)訓練師一樣,只能趕緊將他們都抓進保育箱內,救一隻算一隻,但想要復育或野放感覺已經是不可能的任務,這些蛙們以及牠們的後代(如果有的話),恐怕都只能永遠待在玻璃箱裡頭了……想到泛科學「科學大爆炸」曾經介紹過的特異功能蛙,我這輩子可能永不得見,不禁感傷。

講了那麼多…以下為工商服務

之所以會想談這個主題,是因為最近我買了泛科市集最近熱賣的一個品項:超仿真 4D 青蛙立體拼圖。這系列有人體各部位,有豬,有殺人鯨等,但最讓我喜歡的就是這款青蛙了。畢竟說到解剖,當然就是青蛙,而且大小也仿真,做得很精緻,皮膚上的凸起、內臟跟肌肉的紋路,都顧到了,上色也很細膩,雖然同一塊,但骨頭上就是不會沾上肌肉的顏色,絕對沒有一般玩具的廉價感。加上從皮膚到內臟都栩栩如生,組起來之後放在桌上陪著我寫這篇文章,特別有感覺。

4D蛙-01
你在看我嗎?你可以再靠近一點。

我想對學生跟老師來說,這精緻的模型或許可以在某程度上取代解剖青蛙,此外,也可以讓同學更認識青蛙。對喜歡兩棲類(特別是青蛙的人來說),這當然是不可或缺的好物。對想要提醒自己第六次大滅絕危機的人來說,雖然牠不是巴拿馬金蛙,但也可以把它當作蛙類代表,提醒自己愛護環境。最後,對純粹想要放個裝飾在桌上的上班族來說,這個真的屌,同事經過肯定會駐足指指點點,開啟友誼之窗,不過老闆看到可能會問「你是自比為溫水煮青蛙是嗎?」這時你當然要懂得回答「我是自比為水陸兩棲蛙人,爬樹潛水樣樣行,堅苦卓絕,不動則已,動如驚雷,個頭雖小嗓門大,眼觀四面,大吃四方……」

4D蛙-02
如果裝不回去,別說你是解剖大師。

好了,我就唬爛到這邊了,這蛙隨時可剖隨時可復原,歡迎你跟我一樣買一組放在桌上,提醒大家「青蛙不能亡」!今天的科學開封府就到這邊告一段落,退堂啦啦啦啦啦!

購買 4D 青蛙請由此去→

4D半透視青蛙組合模型

4D蛙-05
被我的眼神電到了嗎?只要點我一下,你就能擁有我。

購買其他 4D 拼圖請由此去→

4D人體腦神經組合模型

4D腦-01

4D頭頸組合模型

4D腦-02
4D半透視豬組合模型

4D豬

PS. 本篇開封文標題發想來自網路熱傳的某個大學新生網路討論串

  • 經讀者提醒,本文中原提到「上解剖課,我一向自帶大體」文字,對於大體老師較不尊重,經考量後將相關文字改為「上解剖課,我一向自帶大體老師」。一直以來,醫學院相關科系必修「大體解剖」課程,多年之後,慈濟醫學院才把捐贈給這門課使用的遺體稱為「大體解剖課的老師」簡稱「大體老師」。
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泛科市集的B編_96
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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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那天下了一場「動物雨」!!
胡中行_96
・2023/03/13 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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澳大利亞北領地的 Tanami 沙漠,有一個叫做 Lajamanu 的偏遠小鎮。2023 年 2 月 19 日晚間,突然下起驟雨。[1]直至隔天早晨,累積了 61.4 毫米的雨量。[2, 3]降雨期間,魚群也跟著從天上落下。[1]

19 世紀英國畫家 George Cruikshank 描繪俚語「raining cats and dogs」的概念。圖/參考資料 5(Public Domain)

動物雨的種類

英文俚語「raining cats and dogs」,以「降下貓狗」形容大雨滂沱[4]19 世紀的英國畫家 George Cruikshank,還拿這個比喻當題材,創作虛構作品(上圖),抱怨糟糕的天氣。[5]事實上回顧歷史,其他動物比較常由空中砸下來。早在西元前 1 世紀,羅馬博物學者老普林尼(Pliny the Elder)就曾記錄,隨著暴風雨墜落。文藝復興時期開始,更不時有版畫描繪此類事件(下圖)。除了與上述雷同的情形,也有的個案。 [6]19世紀以降的文獻,則增加了蜘蛛螞蟻蝸牛淡菜(貽貝)、寄居蟹,以及各色蠕蟲等千奇百怪的案例。[7]

16 世紀版畫:天空降「魚」。圖/參考資料 6,Figure 2(Public Domain)
17 世紀版畫:天上掉下大量的蛇(左)和鼠(右)。圖/參考資料 6,Figure 3(Public Domain)

許多動物雨的紀錄,要不是歷史悠久,死無對證;就是鄉民口述,人微言輕。信者恆信;質疑者則當是鄉野奇談,嗤之以鼻。然而,若有科學家挺身背書,那就不一樣了。1947 年 10 月 23 日,美國路易斯安那州野生動物與漁業局的生物學家 A.D. Bajkov,在該州的 Marksville,親身體驗奇妙的自然現象。他事後撰文,投稿《科學》(Science)期刊,[8, 9]興奮之情躍然紙上:

「那天早上 7、8 點之間,2 到 9 英吋(約 5 到 23 公分)的魚落在樹梢和院子裡」,使這個南方小鎮的居民困惑之餘,群情激昂。當時他和妻子正在餐廳裡享用早餐,一聽服務生說魚群從天而降,便立刻跑去蒐集。Marksville 銀行的總裁 J.M. Barham 表示,起床就發現數以百計的魚落在自家院子裏,鄰居太太家也是。7 點 45 分,1 名該銀行的員工和 2 個商人的路途,則遭魚群阻斷。[8]

「離餐廳半個街區外的銀行附近,平均每平方碼(約 0.84 平方米)就有一條魚。」有的慘遭車輛輾壓;有些則落在房子的屋頂上。「牠們屬於在地的淡水魚類…」這名生物學家如數家珍地,列舉了一堆名字。然後說他將撿來的魚,全部裝成一罐,泡福馬林,要「分送數個博物館」。[8]

水龍捲

根據美國國會圖書館的介紹,動物雨的肇因或許不只一種:許多科學家將矛頭指向,形成於陸地,並行經水域的水龍捲(waterspouts)。其最高風速為每小時 100 英里(約 161 公里),中央低壓渦漩(vortex),會像吸塵器般,吸入周圍的水、空氣,以及包含生物在內的小東西。水龍捲移動的過程中,因為逐漸失去能量,沿路容易掉東掉西,造成動物雨等現象。美國普渡大學的 Ernest Agee 教授,「曾見過小池子的水,整個被路過的龍捲風淨空」,所以覺得天上要是砸下幾隻蛙,也算頗為合理。[10]不過,如果水龍捲夾帶的,不是動物,而是石頭,就可能變成危險的石頭雨。這種情形,有時會被誤認為來自外太空的隕石雨。[6]

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上升氣流

南伊利諾大學的 Doc Horsley 教授等科學家,認為上升氣流(updrafts),也會導致動物雨:暖空氣由地表高壓處,向上升到較冷的低壓處。在暴風雨中,能超過每小時 60 英里(約 97 公里),幾乎與中等水龍捲相當,所以擄走小動物的潛力,也不遑多讓。[10]

一起掉落的物種

水龍捲和上升氣流,都是從路經之處,任意搜刮。既然被帶走的東西包羅萬象,為何同時落於一處的,卻是相近的物種?美國華盛頓大學的 William Hayden Smith 教授解釋:當風力漸減,重的東西,會比輕的先掉下來。於是,尺寸和重量雷同的個體,便一起墜落。[10]

魚還活著…

講了半天,所以那些澳洲沙漠裡的魚,後來怎麼了?當地的議員 Andrew Johnson Japanangka,告訴 ABC 新聞臺,有些魚落地後倖存。「被孩子們撿起來,保存於瓶罐裡。」同樣的事件在 1974、2004 和 2010 年,亦曾發生過,部份居民甚至記得當年的情景。總之,這在該小鎮,雖然罕見,但算是正常。[1]

  

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參考資料

  1. Allison C, Trevaskis L, Barwick A. (21 FEB 2023) ‘Fish ‘rained from the sky’, outback community says, in freak weather event’. ABC News.
  2. Lajamanu, Northern Territory – February 2023 Daily Weather Observations’. Australian Bureau of Meteorology. (Accessed on 24 FEB 2023)
  3. Notes to accompany Daily Weather Observations’. Australian Bureau of Meteorology. (Accessed on 24 FEB 2023)
  4. Cambridge University Press. ‘It’s raining cats and dogs!’ Cambridge Dictionary. (Accessed on 23 FEB 2023)
  5. George Cruikshank. ‘Very Unpleasant Weather, or, the Old Saying Verified “Raining Cats, Dogs, & Pitchforks.”!!!’. Yale Center of British Art. (Accessed on 23 FEB 2023)
  6. Franza A, Morelli M, Faggi D, et al. (2021) ‘To be or not to be, that is the question: The Marsala meteorite (Italy, 1834) and the role of the doubtful meteorites in the history of meteoritics’. Meteoritics & Planetary Science, 56(5): 922-943.
  7. Berenbaum MR. (2015) ‘Who’ll Stomp the Rain?’. American Entomologist, 61(3): 133–135.
  8. Bajkov AD. (1949) ‘Do Fish Fall from the Sky?’. Science, 109(2834): 402
  9. Dennis J. (2013) ‘6. It’s Raining Frogs and Fishes’. In: It’s Raining Frogs and Fishes: Four Seasons of Natural Phenomena and Oddities of the Sky. Diversion Books.
  10. Science Reference Section. (19 NOV 2019) ‘Can it rain frogs, fish, and other objects?’. U.S. Library of Congress.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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浣熊喜歡洗手,不是因為愛乾淨?大角羊的角,可以跟全身骨頭一樣重?5 個你意想不到的動物冷知識——《天生就是超級咖》
遠流出版_96
・2022/12/29 ・1190字 ・閱讀時間約 2 分鐘

1. 愛情召喚陣:雄性白斑河豚會藉由沙畫來吸引雌性產卵

在日本奄美大島有一種白斑河豚,會花一周的時間,在海底打造直徑為自己身長20 倍的巨大圓形沙畫,像是海底的麥田圈!但河豚這麼做的原因不是為了藝術,而是為了吸引雌性。沙畫特殊的沙丘構造使得中央留下了細緻的沙,雌性便在此產卵。

2. 非賣品:青蛙利用液壓的原理將舌頭快速射出

青蛙的舌頭上層有黏質蛋白可以用來沾附獵物,舌頭肌肉間空隙充滿了水,當發現獵物時,可以利用液壓的原理讓平時捲起的舌頭快速而精準地射出。不但如此,舌頭可以觸及的角度還十分廣闊多變喔!

3. 交叉:雄性大角羊的角重量可達身體其他骨頭的總重

大角羊的角是永久性的,不會脫落,雄性的角可重達14 公斤,跟全身的骨頭一樣重,用來對抗捕食者和爭奪交配權。但若是長的角度不正確,有可能會影響進食,導致餓死,或甚至插入自己的頭部而導致死亡。

4. 本末倒置:浣熊喜歡洗手或洗食物不是因為愛乾淨

牠們十分依靠手部觸覺來辨識物體,浣熊前爪的觸覺神經數量高出大部分的哺乳動物四到五倍。並且前爪浸泡在水裡時觸覺會變得更為敏銳,所以就產生了浣熊什麼東西都要放入水中感覺一下的習性。

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5. 旋轉馬殺雞:鱷魚和成年的海牛可以和平共存

在美國的佛羅里達州的水域,可以看到海牛與鱷魚和平相處在同個環境的情況,儘管鱷魚看似兇猛,但牠們鮮少會去攻擊成年的海牛,有時甚至可以看到鱷魚和海牛共游的情況,鱷魚有時還會攀附在海牛身上搭便車。

——本文摘自《天生就是超級咖》,2022 年 10 月,遠流出版,未經同意請勿轉載

遠流出版_96
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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。