小藥廠的研發傳奇：第一個核准治療「遲發性不自主運動」的新藥 valbenazine

• 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？

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。

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：

• 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

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？

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。

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？

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?

（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）或。

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。

• 前情提要：歷史上第一個銷售破億的藥物 「煩寧」，如何成為羅氏的金雞母？——《疼痛帝國》

1965 年，聯邦政府開始調查利彼鎮和煩寧。美國食品藥物管理局（編按：FDA，功能類似台灣的食藥署，負責監督管理各種食品、藥物及化妝品）的諮詢委員會建議將鎮靜劑視為管制藥品，此舉會大大增加消費者取得鎮靜劑的難度，羅氏和亞瑟．薩克勒都認為這項前景是重大威脅。

與監管單位的對抗

亞瑟通常對於政府監管藥物抱持懷疑的態度，他也意識到對輕鎮靜劑的新管制可能對他的財務盈虧造成毀滅性的影響。往後近十年間，羅氏對抗美國食品藥物管理局，不讓其管制利彼鎮和煩寧，這段期間羅氏銷售這些藥物進帳數億美元。直到一九七三年，羅氏才同意「自願」接受管制。

但根據一位食品藥物管理局顧問的推測，這種態度大逆轉的時機並非偶然：羅氏讓步時，他們的鎮靜劑專利即將到期，也就是說羅氏將不再擁有製造這些藥物的排他權，他們即將面對學名藥（generic drugs）^{註 1} 的競爭，而不得不降低售價。正如亞瑟的朋友和秘密生意夥伴比爾．佛洛利克所觀察的，原廠藥（Brand drug）的商業壽命是從開始銷售到失去專利排他權之間的短暫區間。

羅氏和亞瑟不需要永遠與監管抗爭，他們只需要抗爭到專利到期為止。

為時已晚

羅氏同意自家鎮靜劑被納管時，煩寧已成為大約兩千萬美國人生活的一部分，是世界上最多人服用也最多人濫用的處方藥。美國花了一段時間才意識到煩寧的負面影響，部分原因是對普通消費者來說，他們沒想到即使醫生開的藥物也可能有危險。

美國對藥物的道德恐慌往往集中在街頭毒品，並操弄著民眾對少數群體、移民和非法勢力的恐懼。一個身穿白袍、脖子掛著聽診器、牆上有文憑的醫生所開的藥丸會讓人上癮，這可是前所未有的想法。但到後來，就連前第一夫人貝蒂．福特（Betty Ford）這樣的權勢人物都承認受煩寧成癮所苦，參議員愛德華．甘廼迪（Edward Kennedy）也歸咎於鎮靜劑造成了「依賴和成癮的惡夢」。

羅氏被控「過度推銷」這種藥物。滾石合唱團甚至寫了一首關於煩寧的歌曲〈母親的小幫手〉（Mother’s Little Helper），歌詞讓人聯想到麥亞當斯針對女性的廣告宣傳。

今天媽媽需要一些東西讓她平靜下來，

米克．傑格（Mick Jagger）唱道，

雖然她沒有真的生病，但她有一顆黃色小藥丸。

擦亮自己的招牌

「煩寧改變了我們與醫生溝通的方式，」後來亞瑟的副手溫．葛森說。他仍然為這種藥物感到自豪。「它讓某些人變成毒蟲，」他承認，「但這藥真的有效。」

然而，對於亞瑟來說，這其中有一個矛盾的情況。當他擦亮自己的公眾形象時，非常依仗得體的外表以及身為正義、富有見識的醫學家身分。然而，他的財富直接來源是猖狂銷售兩種高度成癮的鎮靜劑。當然，亞瑟還有很多事業：他不斷創辦公司，廣泛投資許多行業，但原始的薩克勒家族是從煩寧起家的。

亞瑟在餘生裡淡化他與這種藥物的連結，強調自己在其他領域的成就，並故意掩飾（或完全不提）他的第一筆財富其實是來自醫療廣告，這一點不但重要，也非常發人深省。

最終，他開始承認自己是《醫學論壇報》的出版商，把自己的名字加到刊頭，並撰寫自己的專欄，叫做「我與醫學」（One Man & Medicine），長篇大論地討論當時的醫學議題。亞瑟在這些專欄裡經常抨擊香菸的危害，不僅指出與吸菸相關的健康風險，也指出成癮的危險。他自己因推銷一種會上癮且危險的產品而得到豐厚的報酬，但他似乎無法以同樣的高標準來審視自己。

註解

1. 編按：學名藥（Generic Drug）是指原廠藥（Brand drug）的專利權過期後，其他合格藥廠可以以同樣成份與製程生產已核准之藥品，且其在用途、劑型、安全性、療效、給藥途徑、品質、等各項特性上，皆可以與原廠藥完全相同。（資料來源：中華民國學名藥協會）

——本文摘自《疼痛帝國：薩克勒家族製藥王朝秘史》，2023 年 ３ 月，黑體文化出版，未經同意請勿轉載。

銷售的難題

利彼鎮和煩寧都是輕鎮靜劑，兩者的功效差不多。亞瑟的麥亞當斯團隊必須說服全世界（醫生和病人）相信這兩種藥物其實不同。

編按：亞瑟．薩克勒（Arthur Mitchell Sackler）的麥亞當斯（William Douglas McAdams）是藥廠的廣告代理商，負責處理藥品的行銷和推廣，而瑞士商羅氏（Roche）藥廠便是麥亞當斯的重要客戶之一。利彼鎮和煩寧都是羅氏所推出的產品，兩者皆為輕鎮靜劑，功效還差不多。利彼鎮在 1960 年甫上市沒多久就成為當時史上獲利最高的藥物，但緊接著煩寧即將在 1963 年推出，如何避免兩種藥物互相蠶食彼此的市場，成了羅氏的挑戰。

要做到這一點，方法是把兩種藥物推銷到不同的疾病。如果利彼鎮是治療「焦慮症」的藥物，那麼煩寧應該用於治療「精神緊張」。如果利彼鎮可以幫助酗酒者戒酒，那麼煩寧可以防止肌肉痙攣。

何不在運動醫學中使用它呢？很快地，醫生開始為各式各樣可笑的狀況開出羅氏鎮靜劑，以至於一位醫生在醫學期刊上寫到煩寧時問道：「我們有哪個時候沒用到這種藥物？」對亞瑟和同事來說，這就是煩寧好賣的原因。正如溫．葛森所言：

煩寧有個了不起的特點，就是幾乎各種專科都能用上它。

替自己的藥「下標籤」

正如克里德莫病房裡的女性人數超過男性，現在醫生開羅氏鎮靜劑給女性的頻率也比開給男性多很多，亞瑟和同事們逮住這個現象，開始積極向女性推銷利彼鎮和煩寧。典型的煩寧廣告所描述的理想病患是「三十五歲， 單身，精神性神經症患者」。在一則利彼鎮的早期廣告裡，一名年輕女子抱著一堆書，意即就算是讀大學的日常壓力，也最好是透過利彼鎮來解決。

事實上，行銷利彼鎮和煩寧時，用上了非常多種性別化的世紀中葉形象──神經質的單身女性、疲憊不堪的家庭主婦、生活無趣的職業婦女、更年期的潑婦，正如歷史學家安卓亞．童恩（Andrea Tone）在《焦慮時代》（The Age of Anxiety）一書中指出的，羅氏鎮靜劑真正提供的彷彿是一種應急方式， 以解決「身為女性」的問題。

成為製藥巨獸

羅氏不是唯一使用這種誇大不實廣告的公司。輝瑞公司有一款推薦給兒童使用的鎮靜劑，廣告插畫有個流淚的小女孩，還有文字說明這種藥物可以減輕對於「上學、暗處、分離、看牙、『怪物』」的恐懼。

然而，在羅氏和亞瑟．薩克勒推出利彼鎮和煩寧之後，再也沒有任何公司能望其項背。羅氏在納特利的藥廠每天生產數千萬片藥錠，巨型壓錠機的作業幾乎趕不上需求。一開始，利彼鎮在美國是處方量最多的藥物，直到一九六八年被煩寧超越。即使如此，利彼鎮仍然保持在前五名。

1964 年，大約 2200 萬張處方開的是煩寧，到了 1975 年，這個數字達到 6000 萬。煩寧是歷史上第一個銷售額達到一億美元的藥物，羅氏不僅成為世界領先的製藥公司，而且是不分類別最賺錢的公司之一。金錢源源不斷地湧入，到手之後，公司轉而將這筆錢再次投進亞瑟．薩克勒設計的行銷廣告。

——本文摘自《疼痛帝國：薩克勒家族製藥王朝秘史》，2023 年 ３ 月，黑體文化出版，未經同意請勿轉載。