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鯊魚退散!海軍漫長的防鯊之役──《不為人知的敵人》

八旗文化_96
・2017/05/19 ・6674字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

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  • 【科科愛看書之本月選書】軍隊最大的對手是誰?才不是那些顯而易見的持槍敵人,而是疲勞、噪音、酷熱、腹瀉、恐慌……等等你根本料想不到的邪惡角色。快跟著瑪莉羅曲那明快而幽默的腳步,一起深入軍營去見識那些《不為人知的敵人》,看看科學是如何用有趣的方法力抗各式另類殺手。本書為泛科學 2017 年 5 月選書

問:如果你手下的士兵都害怕鯊魚該怎麼辦?

其實,如果真要鼓舞士氣的話,反而應該讓官兵瞭解那些事實和統計數字。麥金泰寫說:「對於緩和官兵的恐懼來說,正確的資料反而比任何驅鯊劑要來得周全而且有效。」1944 年開始, 海軍就在按照這種想法在做。他們的航空訓練部(Aviation Training Division)發行了一本叫做《鯊魚常識》(Shark Sense)的小冊給新進的飛行員。這本小冊共有 22 頁,附有漫畫,畫的是鯊魚在奔竄、逃跑、滿頭大汗、哀求的畫面,整本都是讓人讀了會放心的事實。

滾開!我不怕你。圖/GIPHY

後來證實其中所言不虛。統計二戰中 2500 名機員的海上求生報告,結果總共有 38 次目擊鯊魚,其中 12 次人員受傷或死亡。

不過,《鯊魚常識》雖然令官兵安心,卻沒有解答官兵要是在海上遇難心裡會有的急切問題。海水裡只要有一滴人血,鯊魚是不是真的就會聞到?聲音是會招惹鯊魚,還是嚇走鯊魚?移動的話會不會怎麼樣?包括厄瓜多的游泳客在內,某些人的報告說,拍打鯊魚會把牠們嚇走;有的卻說那會引起牠們的興趣。實際上到底如何?沒有人知道。

1958 年,海軍研究辦公室生物學部主任席尼.蓋勒(Sidney R. Galler)決定一探究竟。他提供經費成立「鯊魚研究群」(the Shark Research Panel),並協助設立「鯊魚攻擊檔案」(Shark Attack File)。這座全球事件資料庫延續至今,已經成為「國際鯊魚攻擊檔案」(International Shark Attack File)。大衛.博爾德里奇統計分析 9 年的鯊魚攻擊檔案,給了全世界「大部分我們現今所知的鯊魚攻擊知識」。(引自 2013 年美國海洋漁業服務署〔National Marine Fisheries Service〕的一篇論文。)除了這大部分之外,其餘則是來自 1950 年代海軍研究辦公室的資助成果;關於鯊魚掠食、嗅覺和取食行為等等。《海洋漁業評論》(Marine Fisheries Review)曾刊登過一篇紀敘鯊魚研究史的文章。博爾德里奇告訴文章的作者說,「你若想對鯊魚研究有什麼好點子,你就要去找席尼。」

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比起尿液和汗液,鯊魚更愛你驚恐的味道

亞伯特.泰斯特(Albert L. Tester)真的去找席尼了。他當時有個好點子,實驗室外面的海上有 3 種鯊魚,還有一組兩個長 50 英呎的海水槽可做實驗。泰斯特在馬紹爾群島(Marshall Islands)的艾尼維托克海洋生物實驗室(Eniwetok Marine Biological Laboratory)工作。(艾尼托維克和比基尼島〔Bikini〕1 一樣,都是環礁〔atolls〕。美國曾在比基尼島試爆原子彈。海洋生物實驗室在試爆之後負責提供放射性落塵對海洋生物,以及當地工作人員的影響──要是有人追蹤後續幾十年的訃聞的話)

泰斯特開始尋找是什麼把鯊魚吸引到獵物身上?鯊魚是靠視覺還是嗅覺進行獵捕?如果是嗅覺的話,是哪種氣味?是誰的氣味?如果驅趕鯊魚並非上策,那麼水手或飛行員最好的處置應該就是,一開始就不要把牠們吸引過來。

我們先講好消息。人的尿液不會吸引鯊魚。施放量從半茶匙到 1/3 杯不等,泰斯特水箱裡的黑鰭鯊(blacktip shark)都沒有興趣,不會興奮起來,但也沒有排斥。牠們有注意到這東西;這可以從牠們突然轉身或突然出現的「漩渦」看出來。要是有人在游泳池水裡碰到尿液,但是他沒有眉毛可抬,沒有肩膀可聳,大概就會做這個動作。

「什麼味道(☉д⊙)???」圖/Matt Kowalczyk @Flickr

鯊魚對人的汗液也沒有興趣。鯊魚研究室裡面很熱,泰斯特和學生常常用海綿互相吸身體上的汗水,擰到一桶海水中,再悄悄地用虹吸法將海水注入鯊魚水箱中。一般而言,鯊魚會有點嫌惡──這你能怪牠們嗎?泰斯特的汗水尤其讓牠們反彈。水箱中即使只有百萬分之一他的汗水,黑鰭鯊聞到了都會擺擺頭,「立即離開那一區」。

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全身汗液──外分泌汗腺分泌的冷汗──和緊張時流的汗(flop sweat)不一樣。如果泰斯特也有像我摩奈爾化學感官中心的朋友那樣,收集我在壓力之下流出的腋下汗水,他的測試結果可能會不一樣。鯊魚可能會聞到落水者「灰心喪志」、「這個好搞」的氣味,因而轉為攻擊模式。

鯊魚偏好的獵物如果正好處於壓力之下,就會發生這種事。鯊魚會感受到這一餐「不麻煩」, 就會圍過來開始攻擊。泰斯特「用木棍威脅」(其他人的說法是「戳」)侵擾水桶裡的石斑魚,然後把這桶子裡的水──科學措辭叫做「驚恐的石斑魚水」──打入鯊魚水箱,結果激起鯊魚「劇烈的獵食反應」。由於獵物並不在水箱之內,所以我們知道引發鯊魚掠食動作的,並非是「看見」石斑魚或是「聽見」石斑魚的吵鬧聲,而是石斑魚皮膚或魚鰓排出了某些化學成分。但不是只要石斑魚氣味就會有這種效應。將「靜止的石斑魚水」打入水箱,鯊魚都不怎麼理會。

如果鯊魚「聞」到魚群掙扎或驚慌的訊號,便會視他們為容易獵捕的食物。圖/Kiks Balayon @Flickr

魚的血和腸也會引發劇烈反應。魚血和魚腸是高調公告魚憂鬱症(piscine distress)的「喇叭手」。博爾德里奇發現,這裡面傳遞的化學訊息很強,強到讓鯊魚連老鼠都可以吞下去;當然這隻老鼠的皮毛上塗有「鯔魚混合液」(整尾鯔魚和水混合)。但這依舊不是經由一般味覺反應所產生的動作。在另一項研究中,鯊魚起而攻擊一塊海綿;當然,這塊海綿事先有在一碗魚的體液中浸泡過。他寫說:「不論是什麼東西,只要先用魚『汁』處理過,幾乎都會引發鯊魚攻擊。」

這些「會引發鯊魚攻擊」的東西,包括魚叉漁夫(spearfishers)在內。有的魚叉漁夫在海裡游動時,會將漁獲繫在腰際或用細繩拉在後面;漁夫這樣做特別危險。博爾德里奇進行其研究分析期間,「鯊魚攻擊檔案」記載的案例總共有二百二十五起提到現場有受傷的魚或魚血魚腸。泰斯特很驚奇:「鯊魚可以這麼快速並準確地追蹤到懊喪中的魚(比如說鉤在魚鉤上但沒有受傷的魚)。」

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「鯊魚攻擊檔案」中的受害者,有 17% 遭受攻擊時是穿著潛水衣,這一點或許可以用「魚叉獵魚」法來解釋。原來的理論是說,鯊魚把穿著黑色潛水衣的漁夫誤當做是海豹。或許也有這種事情,但是既是魚叉獵魚,那麼較可能的其實是,潛水衣的配件──魚叉和皮帶上流血的魚──引來了鯊魚。

死魚也會發出晚餐鈴聲。泰斯特讓黑鰭鯊和灰鯊接近一系列的魚肉,包括:鮪魚、鰻魚、石斑魚、紅魚、鸚鵡魚、巨蛤、章魚、烏賊、龍蝦等等。測試之後,他把這些以下這些列為吸引鯊魚的因素:鯊魚不喜歡有風險;哪一頓飯不需要打架就有,牠才會去吃;有傷的不錯,死的更好。

萬用驅鯊方法?沒有這種東西啦

這樣,你就會開始懷疑用鯊魚腐肉做出來的所謂「驅鯊劑」的品質了。泰斯特也搞不懂。他從一名漁夫那裡取得一份「號稱驅鯊劑」的東西;從一間漁業實驗室取得一份;自己研究團隊把髻鯊(hammerhead shark)和虎鯊(tiger shark)的肉,放在熱帶氣候中的室外一週,這樣也做了一份。這三份「驅鯊劑」都觀察不到驅鯊效果──相反地,有時還引來了鯊魚。「我們的結果似乎和史布林格的結果有出入,無法做到有說服力的解釋。」泰斯特對於鯊魚處理工廠的反彈所具的強烈吸鯊效果,可能毫無所知。

魚肉引鯊,人肉亦然。二戰期間的鯊魚攻擊報告一再看到屍體受害的案例。水手漂浮在海上, 可能會因為撞到鯊魚或光是用腳攪水,就引來好奇的鯊魚。(博爾德里奇觀察到,光是老鼠在海裡游動時後腿踢到鯊魚的鼻子,都會引發鯊魚驚愕的反應,立即離去。)1945 年,美國海軍印第安納波里斯號被日本潛艇以魚雷擊沉。

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這次沉船事件在後人討論鯊魚攻擊事件時,經常被提到。有本論及此次事件的暢銷書,引用一名倖存者的話說:「鯊魚喜歡追擊死人。」2 美國海軍醫學與外科局進行口述歷史紀錄時,海軍上校路易斯.海內斯(Lewis L. Haynes)回憶說:「老實說,我在海裡漂浮了 110 個小時,完全沒看到有人被鯊魚攻擊……。」他說,那些鯊魚「對於那些死者好像已經很滿意。」他說這次事件總共找回來 56 具斷肢殘骸,但是除了少數幾具,沒有跡象顯示他們生前被鯊魚咬過。

這樣說的話,牠們為什麼要緊跟著救生筏?你問為什麼嗎?牠們是為了救生筏底下的東西而來。救生筏底下其實有成群的魚,也許是為了躲入蔭涼之處,也許是來吃一些也是來躲蔭涼的小型海洋生物。二戰時期的一名水手回憶說:「 大魚來吃桃花魚(minnows),更大的魚來吃大魚,最後是有背鰭的傢伙跑來看看這裡到底是怎麼一回事。 」還有一個故事(我想說這個故事,純粹是因為我喜歡它)說:「鯊魚直接潛入救生筏底下,聚集在那裡……我們全都安靜地坐在那裡,……我們的雷達員因為怕救生筏會翻覆,後來就不再坐在筏邊大便。鯊魚的這種行為反覆了好幾次,但是好像和我們沒有關係。」

這種「沒有關係」後來也一直都是。就我所知,近代史上見諸紀錄海軍官兵被鯊魚咬的事件只有一例。2009 年澳洲雪梨港進行反恐演習時,一名搜索潛水員(clearance diver)被一頭牛鯊(bull shark)一口咬斷手和腳。喬.坎恩(Joe Kane)是海軍特別作戰指揮部(Naval Special Warfare Command)通訊專家。我也問過他海軍海豹特戰隊是否被鯊魚攻擊過。他說:「你這個問題問錯了。問題不是海軍海豹部隊需不需要驅鯊劑,而是鯊魚需不需要驅海豹部隊劑。」

現代美國海軍並沒有正式的鯊魚攻擊訓練課程。一名潛水員記得海軍告訴他的是,如果他感覺有鯊魚危害,就要慢慢潛到水底尋找掩護。1964 年,空軍發行了一部「防備鯊魚」教育電影, 告訴飛行員如果落水後遇到鯊魚,就往水裡吹泡泡或往水面大喊。我問資深鯊魚攝影師羅勃.康特里爾(Robert Cantrell)說他怎麼看這種建議。他幾十年來常常在水下拍攝鯊魚,都不用防護鐵籠。這人對著一群激動的藍鯊(blue shark)用了「會咬人」(nippy)這種形容詞來形容。他給我的回答就和博爾德里奇和泰斯特常常想到的一樣,端看是哪種鯊魚而定。康特里爾說,對著水面大叫可以暫時嚇走牛鯊,但對虎鯊沒有用。吹水泡可以嚇走藍鯊,但是對其他種類的鯊魚一概沒用。

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我吹我吹我吹吹吹,鯊魚快走開!圖/GIPHY

美國空軍最後一次所做的建議讓人存疑:把紙撕碎,丟在自己身邊四周。我假設他們建議這種方法只是要讓鯊魚分心,甚至只是要讓水手自己分心,因為會讓水手專心接受挑戰──漂浮於海中的時候還要尋找紙張。康特里爾有一次試驗把餿掉的貝果丟到海面上,結果虎鯊立刻游過來,牛鯊則是理都不理。所以,康特里爾對潛水人有什麼建議呢?他說,「享受這個經驗吧。」

小姐小姐,你聞起來像海豹?

但我們現在來提一個很多水手心裡都有的一個問題:人血真的會引來鯊魚嗎?這一點博爾德里奇和泰斯特的試驗結果卻不一樣。鯊魚的行為表現有時候像是真的被人血吸引了,但有時候卻又會避開有血區域。泰斯特懷疑血液的新鮮程度或許是個因素。以他自己的試驗而言,黑鰭鯊和灰鯊會被流出僅一、兩天內的血液吸引,而且濃度只有海水的百萬分之零點零一。不過博爾德里奇對「鯊魚攻擊檔案」的分析結果卻與此不符。1115 例中只有 19 例受害者,在攻擊發生當時有流血。

他的結論是:「很多遇到鯊魚攻擊的受害者,都只是受到一次攻擊;然後,雖然此時他們的傷口已經流出很多血,但是鯊魚卻離開了,並沒有進一步攻擊他們。這種情形之下,很難接受『人血極為吸引鯊魚,很容易使鯊魚激動』這種觀念。」

博爾德里奇自己所做的試驗,是以四種鯊魚測試較為創新的選項:在水中游動但身體流血的老鼠。老鼠也是哺乳類,所以牠們的血應該也和人血一樣吸引(或不吸引)鯊魚。結果不出所料,鯊魚一點興趣都沒有。

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有條底線是,鯊魚的攻擊行為和多數動物的攻擊行為一樣,絕大部分都是針對獵物的。如果你的模樣看起來或氣味聞起來不像「晚餐」,牠們就不會把你當「晚餐」對待。掠食者通常只對自己最喜歡吃的生物的氣味有感。鯊魚不吃人肉;雖然也能感測到人血,但是除非很餓,通常不會有什麼動機要追蹤流血源頭。

有些女性喜歡去海水浴場游泳,但是碰到月經來的時候又會害怕。我們上面所說的事實應該會讓她們安心才是。但事實上月經血不一樣,比較獨特,其實是應該要擔心鯊魚的。所以可以的話, 就來個短暫的岸上休假吧!60 年代美國海軍不用女兵,因為女兵有月經。但是國家公園服務處(National Park Service)卻很有興趣。1967 年,兩名女性(其中至少一名正好月經來潮)在冰河國家公園(Glacier National Park)被大灰熊咬死。很多人猜測是她們的月經血引發灰熊攻擊,但野生動物生物學家不相信這種說法。

布魯斯.庫辛(Bruce Cushing)(好玩的是,在後來的熊類攻擊與月經研究中,他的名字被提到時老是被說成布魯斯.嘎辛〔Bruce Gushing〕)決心要收集一些資料。庫辛決定選定北極熊做研究,因為北極熊幾乎完全只吃海豹。這樣就會有一條很清楚的基線,可以對比這種動物對女人月經血的興趣程度。

你要是把海豹油放在風箱裡面,對著關在鐵籠裡的野生北極熊吹,那頭北極熊便會發生庫辛所謂「最極致行為反應」。北極熊會抬頭聞空氣,會大量流口水,會站起來走來走去,喉嚨發出咕嚕咕嚕聲,發出呻吟聲。

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北極熊只有庫辛在風箱裡另外擺了一樣東西時,才會這樣呻吟,這樣東西就是女生用過的月經棉條。無論是雞肉、馬糞、麝香或是沒用過的棉條,都達不到上述的效果。和這一樣東西最接近的,就是月經期間的女性。月經期間的女性不用坐在風箱裡,只要被動地坐在面對北極熊的鐵箱椅子上,驚嘆地球上的生命多麼奇特即可。庫辛也曾經從人體靜脈抽血出來測試,但並沒有讓參與實驗的四頭熊發聲任何反應。

換句話說,用過的衛生棉條之所以會吸引北極熊,不是因為有血,而是因為裡面有一種獨特的陰道裡的東西;是那種──很抱歉──聞起來像海豹身上氣味的分泌物。這很有道理,不是嗎? 女性衛生公司要是請實驗室測試芳香月經產品的效果,實驗室所用的標準氣味就是一種叫做「魚味胺」(fishy amine)的東西。

衛生棉條那種陰道加海豹的氣味實在太強烈、太誘人了,弄到北極熊都沒發現那個東西吃起來不像海豹。52 例中有 42 例,北極熊看到放在木樁頂上的舊衛生棉條(科學措辭叫做「舊衛生棉條木樁」)不是把它吃掉,就是「用力嚼」。唯有使用海豹肉,才會使北極熊更加一致地表現出這種行為──把海豹肉扯下來吃掉。浸泡過一般血液的紙巾──同樣釘在木樁上,好像用骷顱頭警告那些不怕死的叢林探險者一樣──只有三次被北極熊吃掉。

北極熊的這一切表現有告訴我們鯊魚的什麼事嗎?女性該不該擔憂鯊魚?很難講。鯊魚有多喜歡海豹肉?石斑魚死掉之後氣味就像用過的衛生棉條嗎?不知道。但如果我像部分女性讀者一樣月經正好來,我會待在甲板的躺椅上不出去。

庫辛的論文下結論說,既然北極熊喜歡用過的衛生棉條,那麼熊科動物就極可能都會喜歡。但是熊和鯊魚一樣,品種很多。叢林熊類就沒有北極熊那麼喜歡海洋生物的腥味。灰熊喜歡鮭魚,但要新鮮的才吃。黑熊會找垃圾吃,所以天曉得牠們這些年來是怎麼養成這種口味的。

為了獲得定論,美國林務署(US Forest Service)決定開始進行試驗。 1988 年 8 月 11 日, 如果你曾經在明尼蘇達州某處垃圾場丟垃圾的話,你大概就曾經目睹那個情景。北中森林實驗站(North Central Forest Experimental Station)的林.羅傑斯(Lynn Rogers)和兩名同事寫說:「我們把(舊)衛生棉條綁在纖維線上,向覓食的熊扔過去。儘管有些『釣餌』清楚可見──投出去時先從熊的身邊經過,再拉回來,拉到牠的鼻子下方」,但 22 件舊衛生棉條中其中有 20 件熊視若無睹。

「用手」丟給那些經常在實驗餵食站出入(現在沒有了)的黑熊,結果那些衛生棉條的命運也差不多。把 5 片舊衛生棉條綁在一起,丟到一群黑熊前面也是一樣。另外有一次試驗是把濕透的衛生棉放在熊進出的路上,一次放 6 片,其中 4 片浸泡過月經血,一片浸過一般的血,一片是牛肉脂肪。結果 11 頭熊有 10 頭「先聞一聞衛生棉,然後把浸泡過牛肉脂肪的那塊吃掉,就走了。」

這一切,一次一次見證的是國家森林的安全,以及黑熊的耐心。

注釋:

  1. 兩件式泳裝的發明人路易斯瑞爾德(Louise Reard)之所以把他的泳裝叫做比基尼,原是希望這種泳裝會引發「爆炸性反應」。很多人-包括 monokini、tankini、trikini 等各式泳裝發明人-都被 bikini 的「假」字首 bi- 矇騙了很久,以為 bikini 在馬紹爾語是「兩件」的意思。事實上,bikini 在馬紹爾語指的是「椰子之地」──無心插柳,但確實恰好讓人感覺很愉悅。
  2. 譯註:印第安納波里斯號遭日軍潛艇以魚雷擊沉之後,艦上水兵跟著遭到鯊魚群攻擊。

 

 

 

本文摘自《不為人知的敵人:科學家如何面對戰爭中的另類殺手》八旗文化出版。

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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。
文章難易度

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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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為什麼烏鴉會攻擊人?從叫聲來判斷那隻烏鴉是不是在「罵」你!——《烏鴉的教科書》
貓頭鷹出版社_96
・2023/02/15 ・2028字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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只要說到烏鴉,好像就會有非常強烈的「可怕」、「會攻擊人」的印象。但是「明明就沒做什麼,卻突然攻擊」的例子其實極為罕見。真的伴隨著身體接觸的「攻擊」也是不常見的。因為這類的攻擊而受傷的事情也很少聽說。反而是因慌亂而摔倒才比較危險。

烏鴉想要保護雛鳥

首先,烏鴉對人類採取敵對態度的,只有在保護雛鳥的時期而已。這一點請千萬不要忘記。雖然牠們若是在覓食的時候被打擾的話,可能會發出不開心的叫聲,不過並不會展開攻擊。從烏鴉的眼中看來,人類是既大又可怕的。

烏鴉對於望向巢或看雛鳥的視線非常敏感。由於在野生動物的世界中,並沒有像賞鳥者或是研究者般的奇怪傢伙,所以只要緊盯著巢一直看的,通常都是「想要對巢下手的敵人」。何況是盯著離巢幼鳥看,或是接近離巢幼鳥的話,就確實會認定成「我的孩子有危險了」。

烏鴉為了保護雛鳥,可能會攻擊人類。圖/elementsenvato

被烏鴉「攻擊」的例子中最多的,是當離巢幼鳥站在低矮樹枝或是地面上的時候。剛離巢的幼鳥雖然會拍動翅膀但是卻不能飛(只能說是往下掉的時間花得比較久,卻沒辦法到比原先位置要高的地方去),所以在動來動去的時候,位置就會逐漸降低。

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假如是在森林中的話,半路上會有許多樹枝,總是能夠抓住某處停在比較高的地方;但是假如是在像行道樹那樣孤立的樹的話就停不住,多半會掉到地面上來。這樣一來,親鳥就會為了要保護幼鳥而留在附近,對接近過來的對方一一加以威嚇,發出警告「不要靠近我的小孩」。

在澀谷實際發生過的一個悲劇,是烏鴉在天橋旁邊的行道樹上築巢,巢的高度跟天橋的高度剛好差不多。雖然行經天橋的行人完全沒有注意到巢的存在,但是對烏鴉來說,似乎就變成「好多人特地爬上樓梯來看我的小孩」。

在天橋上築巢的烏鴉,把行人當成攻擊對象。圖/elementsenvato

光是經過也還算了,但是有人完全基於偶然而以巢為背景來拍紀念照片,讓烏鴉氣瘋了,所以不只那個拍照的人而已,有好幾分鐘,烏鴉都對著經過的行人進行威嚇。那應該是「我已經受不了了,不管是你還是他,統統給我滾出去!」的狀態了吧。

因為如此,會發生烏鴉攻擊人類事件的時機,是在幼鳥離巢的季節,也就是集中在五月到六月之間。受害報告的統計也是如此。  

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話說回來,烏鴉在威嚇、攻擊時的順序究竟是怎樣的呢?假如知道的話,應該就不再會認為烏鴉是「突然」攻擊過來了吧。

烏鴉生氣時叫聲的變化

首先,烏鴉會先以聲音進行威嚇。可能會有人認為牠們平時就在KaAKaA 叫個不停,應該無法區別;不過牠們要是平時的叫聲是「KaA、KaA」的話,在這時候的叫聲就會變成很激烈的「KaAKaAKaAKaA !」。是不停反覆的快速連續叫聲,而且每一聲的音量都很大。只不過在這個階段時還不需要害怕。那不是對你叫,通常是在對經過那附近的別隻烏鴉叫。

「KaAKaAKaA」脾氣正常的烏鴉叫聲。圖/《烏鴉的教科書》。
「KaAKaAKaAKaA KaAKaAKaAKaA」對其他烏鴉生氣的叫聲。圖/《烏鴉的教科書》。

  

但是假如烏鴉很明顯的是朝著自己的方向叫、跟在後面過來、到低的地方來的話,就表示你被烏鴉盯上了,也就是「那裡的那個人,就是你啦」的被指名狀態。假如牠的叫聲是沙啞的「GaRaRaRaRa……」,就表示牠相當生氣。有時還會聽到像「KoRa ∼!」般的叫聲(附帶一提的是,白頰山雀的威嚇聲聽起來是「AcChi ∼ IKe」,也就是感覺起來好像在說「A-Chi-I-Ke」)。

「GaRaRaRaRa……」烏鴉在對你生氣(指名狀態)的叫聲。圖/《烏鴉的教科書》。
「KoRa~!」烏鴉爆氣中的叫聲。圖/《烏鴉的教科書》。

當叫了半天也沒有效的時候,烏鴉會開始用喙部敲擊牠停棲的樹枝。以人類來打比方的話,就像是在抖腳抖個不停,或是很神經質的用指頭敲打桌子的那種感覺。有時候還會把那附近的樹枝或葉子給撕扯下來。

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翻譯牠的意思,就會是「老子已經叫你滾開了,你還沒聽見嗎,白癡」。此外,牠把小樹枝撕扯下來的行為有時會被媒體寫成是對準人類「爆炸攻擊」,不過牠們真的只是由於很不高興的在亂丟,即使有打到人也純粹只是偶然而已。

——本文摘自《都市裡的動物行為學:烏鴉的教科書》,2023 年 1 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

貓頭鷹出版社_96
65 篇文章 ・ 26 位粉絲
貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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人類的遠古好兄弟:認識鯊魚的「適應性免疫系統」——《我們為什麼還沒有死掉?》
麥田出版_96
・2021/10/23 ・1867字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

你可能聽過這個說法:鯊魚不會得癌症。事實上,牠們的免疫系統接近完美,牠們幾乎不會得任何疾病,牠們的免疫系統在過去幾億年裡都沒多大變化。是不是很神奇?

可惜,這都是無稽之談。沒錯,鯊魚的免疫系統非常驚人,全身分布有許多有趣而且有效的抗菌和抗病毒分子,牠們患癌症的概率也的確比人們通常預計的更低,但是鯊魚仍然會患上各種疾病,包括腫瘤。除此之外,數百萬隻鯊魚每年死於愚蠢。不是牠們自己的愚蠢(就智力而言,鯊魚還行),而是人類的愚蠢,特別是那些認為鯊魚軟骨產品可以「提高免疫力」、抗發炎甚至抗癌的江湖郎中。那種認為「鯊魚有完美的免疫系統」的觀念是由那些想透過賣軟骨藥而大賺一筆的藥商推動的,這背後的研究也不可靠。真正的科學研究已經揭穿了這些騙人的鬼把戲,但是依然有人在獵殺鯊魚,依然把它們的骨骼碾碎,當成「神奇的藥方」。

所謂「鯊魚的免疫系統從未改變過」的說法也經不起推敲。根據化石證據,我們的確發現今天的鯊魚跟牠們幾億年前的祖先「看起來 」 沒什麼差別,顯然,這讓一些人認為,鯊魚在其他方面也沒有任何變化。但這裡有一個重要區別:鯊魚的體型解決的是在水中穿行的問題;鯊魚的免疫系統解決的則是對抗病原體的問題。水沒有發生演化,但是病原體卻一直在演化。想必你明白我的意思了。

模樣特別古老的皺腮鯊(Chlamydoselachus anguineus)。圖/WIKIPEDIA by Citron

鯊魚有適應性免疫系統,也有完整可辨認的 T 細胞、B 細胞、抗體,以及各種其他組成。鯊魚跟人類的適應性免疫系統有許多差異,畢竟,我們分開的時間已經很久了。不過,牠們在許多基本的細節上跟我們類似,我們可以自信地說,某種類似的適應性免疫系統在四億年前(我們分開的時候)就已經出現並且發揮功能了。

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牠們選擇留在水裡,發育出可以替換的鋒利牙齒,追逐魚類,而我們(更準確地說,是那些不再是硬骨魚的我們)則爬到岸上,失去了鰓,發育出了四肢,又過了許多年,我們回到海裡,拍攝了多部關於鯊魚及其鋒利牙齒的驚悚電影。儘管如此,我們的免疫系統提醒我們,在不同的外表之下,鯊魚和我們其實是失散多年的兄弟

但是,讓我們沿著演化史再往回走一步,來到所有的脊椎動物分成兩類—有頜與無頜脊椎動物—的時間點。你也許沒聽說過還有無頜脊椎動物;老實說,這一類生物後來活得不太好,只有兩個科的動物避免了滅絕的厄運,活到了今天:七鰓鰻和盲鰻。這兩種動物長得都比較搞笑,牠們看起來像是努力要長成魚,但是好像不太合格,直到最近,人們一直都認為牠們並沒有適應性免疫系統

屬於無頷類的盲鰻,是韓國炒魚菜的原料。圖/WIKIPEDIA

也許牠們不需要:第一批有頜脊椎動物可能是掠食者,而掠食者往往會活得更久,後代更少,而且一般更注重質而不是量。同樣可以推斷,牠們在演化過程中對感染的抵抗力更強。鯊魚、人類、其他魚類以及所有有頜脊椎動物都有一個胸腺和脾臟,而且在各個物種裡無論是形狀還是功能看起來都比較類似,但是七鰓鰻和盲鰻就沒有。研究人員仔細檢查了無頜脊椎動物的基因組,發現牠們也沒有 T 細胞、B 細胞或者抗原受體的重組基因。但是問題在於,牠們實際上是有適應性免疫系統的—只是跟我們的不一樣而已。

這一點其實意義重大。我們以為我們的適應性免疫系統相當特殊,但是我們現在看到,適應性免疫系統在脊椎動物中似乎出現了兩次,而且是獨立演化出來的。

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這也許是一種經典的趨同演化(convergent evolution):正如鳥類和蝙蝠各自以不同的方式演化出了翅膀,無頜脊椎動物使用一種和我們一樣的隨機重排機制,來增加抗原受體基因的多樣性,但是牠們使用的是跟我們這些有頜脊椎動物完全不同的一套基因,這種重排機制使用的是不同的酶,做著完全不同的事情。同樣地,牠們的淋巴球類型跟我們的也不一樣。不過,牠們的免疫系統看起來跟我們的一樣有效。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田出版

麥田出版_96
24 篇文章 ・ 15 位粉絲
1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。