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電磁英雄法拉第(下):新時代的普羅米修斯——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/07/07 ・4612字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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  • 文/高崇文,中原大學物理系教授

工業革命之後,科學與社會的互動變得比以前更密切,而科學家不僅要焚膏繼晷地探究自然的奧妙,還要將科學的新知轉換成大眾熟悉的語言,甚至要幫社會解決問題,簡直成了希臘神話中那位教會人使用火的普羅米修斯了。綜觀法拉第的一生,在普及科學方面可是說是開風氣之先,此外他還運用他的科學知識幫助社會處理礦災,燈塔甚至發臭的泰晤士河。說他是維多利亞時期的普羅米修斯毫不為過呀!

既能賺錢又可教育,科普演講第一人

說來有趣,法拉第的演講生涯是為了籌錢。從 1820 年代後半到 1830 年代初期,皇家研究院陷入經濟危機。1818 年雖然跟大金主 John Fuller 借了 1000 英鎊來紓困,但是只靠會員繳納的會費,很難維持研究院的運作。法拉第在 1825 年升任為實驗室主任(Director of the Laboratory of the Royal Institution)因此規畫了以兩個公開收費的系列演講,來解救研究所的困境。

第一個是周五演講會。法拉第擔任實驗室主任之後,就召開每周五傍晚的研究院集會。所有會員都可以自由參加,也可以攜伴前往。這個集會備受好評,所以法拉第便將它變成公開收費的演講。周五演講會在初期就被泰晤士報等等報章的星期六版詳細地報導。而法拉第也常將本身研究的最新成果藉此公諸於世。周五演講會是在每週五晚上九點,在皇家研究院的大講堂舉行整整一個小時。受邀演講者並不限於當時有名的科學家,還包括各個領域的名人。從演講者的選擇、邀請,以及在記錄上耗費的大量精力,可以窺見法拉第為這個演講企劃投入了多少力氣。

直至 1840 年代初期為止,法拉第一手主導周五演講會。他說服了藉由科學工作認識的朋友和同仁到周五演講會來演講。能被邀請為周五演講會的講者在當時被視為莫大的榮譽,再加上台下的聽眾不乏貴族和名人,所以講員都很緊張。甚至曾經發生膽小的 Charles Wheatston 爵士在通往講台的門前怯場逃走,法拉第只好上台即興演講代打的趣聞。法拉第本身也時常擔任講者,除了因病休養而缺席的 1840 年,及至 1862 年退休為止,他登台的次數占了 1862 年為止所有演講的五分之一。他的演講內容包括在皇家研究院地下實驗室得到的最新成果。1846 年曾經發生因為聽眾超過 1000 人,使得新聞記者們無法入場而不滿的事件。可見星期五演講會在當時就是多麼地受歡迎了。

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另一個系列的演講則是以孩童為對象的聖誕節演講會。這個也是從 1825 年開始。當時中小學完全沒有系統化的科學教育,法拉第的創舉令人佩服。1825 ~ 1826 年首次聖誕節演講會的講者是當時皇家研究院的力學教 Millington,講題是「自然哲學」(也就是「科學」),1826 ~ 1827 年則由天文學家 Wallis 擔任講者。1860 年為止的講者之中除了法拉第自己,皇家研究院的 William Thomas Brande 講了七次,John Frederic Daniell 一次,其餘則為化學領域以外的的講者,講者幾乎都是皇家研究院內的科學家。這些演講和星期五演講會相異之處,在於聖誕節演講會偏重化學領域。這是為了孩子們準備的有實驗表演的演講。聖誕節演講會也同樣被報紙廣泛報導。這些報導使得對法拉第的好評不限於科學界,更廣泛傳到社會。就這樣,法拉第成功地讓維多利亞時代的英國都「看得到」科學與皇家研究院。

因為演講的推廣,報導對法拉第的好評不限於科學界,更廣泛傳到社會。就這樣,法拉第成功地讓維多利亞時代的英國都「看得到」科學與皇家研究院。圖/By Alexander Blaikley, Public Domain, wikimedia commons

1830 年代末期,皇家研究院總算從財政危機中解脫出來,法拉第將皇家研究院的建築物正面飾以雄偉的歌德式圓柱。完成後令這棟門牌為 21 號的建築物,在櫛比鱗次的商店和住宅的 Albemarle street 上顯得鶴立雞群,彷彿在宣示惟有這棟建築物是學術的殿堂。這兩個連續性的演講至今仍持續仍在舉辦呢。

當時的大文豪狄更斯曾聽過法拉第的演講後大感欽佩。他勸過法拉第兩次,一定要將演講內容出版成書。但是法拉第以「若印成書,就無法傳達隨實驗演進課程的精髓」的理由拒絕了。但演講的部分內容後來還是被印成書。『蠟燭的科學』為題的演講在 1848 ~ 1849 年及 1860 ~ 1861 年共舉行兩次。第二次既是法拉第最後一次站上聖誕節演講會,也是後來普及於世的那本書的基礎。其實這本書並不是法拉第親筆所寫,而是由當時名為 Chemical News 的科學雜誌編輯 William Crookes 徵得法拉第的同意後,委託速記員做紀錄,由 William Crookes 整理後加上圖,先刊載於雜誌,再發行成冊。透過『蠟燭的科學』,法拉第不只是個科學家,更以一個演講家,以及對推廣科學做出偉大貢獻的的身分而名留青史。順便一提 William Crookes 後來發明陰極射線管,發現鉈元素,還當過英國皇家學會主席呢。

哪裡出了問題,就用科學來解決吧!

除了普及科學知識,法拉第也致力於將科學知識拿來貢獻社會。他和 Trinity House 長年來不遺餘力的合作就是最好的一個例子。Trinity House 是總管圍繞英國領土海域安全相關業務的組織。不僅燈塔,還包括浮標及領航都是它的業務。當時還沒有飛機,所以長距離的貨運客運都是要靠海運。因此燈塔非常重要。英國對燈塔技術革新的需求逐漸增加,因此法拉第接受了 Trinity House 的委託,於 1836 年以年薪 200 英鎊就任顧問職。

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法拉第針對如何讓照明能夠穩定提出各項建議並且著手進行改良。電燈照明的時代來臨後,法拉第的專長變得更加有用。這份工作法拉第一直做到1865 年為止。為了執行任務,法拉第曾在暴風雨的天氣裡,乘著小船出海看看燈塔的光能夠傳到多遠。也曾經在前往目的地燈塔的路上,因為下雪鐵路不通,徒步穿越積雪的曠野,再攀越圍牆才能抵達燈塔,而且這還是在他 70 歲時發生的事呢。

法拉第致力於將科學知識拿來貢獻社會,和 Trinity House 長年來不遺餘力的合作就是最好的一個例子。Trinity House 是總管圍繞英國領土海域安全相關業務的組織,尤其在燈塔方面因為海運是唯一的途徑顯得更重要,而法拉第的專業也恰好能盡情發揮。圖/By User:Grim23, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

自從法拉第科學家的聲名鵲起之後,來自政府和關係機構的委託案就蜂擁而來。漸漸地,有越來越多對跟法拉第的研究沒有直接關聯的問題也聞聲而來,徵求他的意見。像國家畫廊和大英博物館因館藏快速劣化而委託法拉第擬出對策來處理因倫敦的黃色霧霾造成對美術品的損害。法拉第從年輕的時開始就是皇家工藝與商業協會會員所以他一口答應。針對國家畫廊中貴重繪畫的髒污,法拉第教人用酒精先去除畫作表面的亮光漆,讓繪畫恢復到接近原本的狀態。法拉第還曾經和當時英國最著名的美術評論家 John Ruskin 發生過論戰呢。

另一方面,大英博物館裡古希臘帕德嫩神殿的大理石雕像(在英國泛稱為埃爾金大理石雕塑,Elgin Marbles)因為有為數眾多的參觀人潮帶入灰塵,以及黃色霧霾裡所含硫酸的影響,表面明顯被汙染還產生細小的龜裂。法拉第用海綿、手指或刷子沾稀硝酸、弱鹼或強鹼的水溶液盡量地清潔。我們到倫敦旅行,參觀國家畫廊和大英博物館那些令人讚嘆的館藏時,應該要記得要感謝法拉第呀。

1844 年 9 月 28 日 Hasewell Colliery 礦坑發生了大災難,造成 95 人犧牲,其中還包括當天第一次進入礦坑的 10 歲少年。政府針對這個慘案組成了調查委員會,並任命法拉第與地質學家 Charles Lyell(他後來受封從男爵)為委任專家。當時法拉第已經年近半百,還深受眩暈與記憶減退所苦。才剛剛藉由休養和易地療法恢復健康,正要回到工作崗位的時候。但他勇於任事,沒有推辭,親自前往出事的礦坑來調查,並且出席調查委員會,陳述他的專業意見。事故原因不外乎煤碳粉塵或粉塵與甲烷兩者的共同作用,這是戴維和法拉第早就已經調查清楚的事了。結果礦坑經營者卻還是無視危險,自行其是。才釀成大災!科學的力量在經營倫理前竟顯得如此軟弱無力。這是維多利亞時期英國的醜陋面。

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1855 年 7 月,泰晤士河變得臭不可耐。法拉第前往考察泰晤士河發臭的實際狀況,並將結果投稿到泰晤士報。他坐著蒸氣船往返於 London bridge 與 Hungerford bridge 之間調查。法拉第視情況,並非僅止於觀察,甚至還用實驗的方式來了解狀況。比如說將白紙濡濕浸到河水中,發現下沉不到 3 公分深就看不見紙了。法拉第的結論是整條泰晤士河都成了下水道。惡臭的主要原因之一是沖水馬桶的普及。因為屋內雖然已經有沖水馬桶, 配套的下水道系統卻尚未完成,於是汙水就全部直接排放到泰晤士河裡。因此,改善泰晤士河的發臭問題需要很長的時間。事實上在 1858 年因為實在是太臭了,還被稱為「大惡臭」在歷史上留下臭名呢。河川發臭會成為眾人關切的問題,原因之一是一年前曾經爆發霍亂大流行。病源經由空氣散播是當時根深蒂固的觀念。當時認為臭氣,即受汙染的空氣易造成疾病流行。後來大家才知道霍亂與臭氣是沒有直接關連的。

法拉第考察泰晤士河示意圖。圖/By John Leech, Public Domain, wikimedia commons

金錢名利只是浮雲,科學才是他的真愛

雖然法拉第對公眾利益向來非常注重,但是對於自己的私利就相當地澹泊了。皇家研究院給法拉第的薪水自法拉第就任實驗室主任起即為年薪 100 鎊。1833 年法拉第因皇家研究院大金主富勒的捐獻而成為富勒講座教授,這個職位的年薪為 100 英鎊。就這樣法拉第得到了皇家研究院教授的頭銜。所以 1833 年以後他有年薪 200 鎊的收入。後來在 1853年調薪至年薪 300 鎊。其實法拉第副業收入,就是從研究院外面來的委託業務工作,遠高於本薪。1830 年法拉第的副業收入約年薪 1000 鎊。但是法拉第在 1830 年代因電磁感應的發現等等,正值研究的頂峰。他認為難以兼顧副業與研究,因此不再接受外面來的委託。結果 1832 年的副業收入變成年薪 150 鎊,1835 年終於歸零。

1837 年英國國會通過 Civil List Act 1837,設立了給卓有功勳的人士每年 300 鎊的年金。法拉第當然名列其中。但是時任首相第二任墨爾本子爵 William Lamb 說了「最近的藝術家和科學家都想趕快拿到年金,年金制度根本就是個騙局」的不當言論後,法拉第馬上辭退,不受嗟來之食。後來還是在法拉第的朋友和皇室的斡旋之下,他才在 1838 年 12 月 24 日正式接受300 鎊的年金。

法拉第從不為自己的發明申請專利,對將發明產業化,也是一點興趣缺缺。可能是因恩師戴維對專利沒有興趣。在電磁感應發現的數年後,當時的財政部長到皇家研究院訪問,曾問法拉第「和電有關的新發現有甚麼樣的用途」,法拉第回答:「我不知道,不過有一天政府大概會為它課稅吧。」可見法拉第雖然預見了他的發明應用的可能性,但他對於實業化沒有興趣,只有追求基本的科學真理才是他終身的志趣。在法拉第及他之後的時代,幾乎所有英國著名的科學家都有爵士(Sir)的稱號。法拉第當然也有被徵詢過意願,但是他沒有接受。1858 年他更拒絕就任皇家學會主席,這可是對一個英國科學家來說最光榮的職位。1864 年皇家研究院院長(president)的就任邀約也令法拉第十分為難。他一生堅守非國教徒的立場是推掉殊榮的主要原因。

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1858 年起的 9 年間,法拉第伉儷接受維多利亞女王的王夫 Albert 親王的安排,住到漢普頓宮由皇室持有的 Grace and Favour House。當 Albert 親王提出建議時,法拉第還以付不起修繕費用為由,考慮婉拒。皇室獲悉後為了免除法拉第的顧慮,而負擔了這筆費用。Albert 親王在德國受過良好的科學教育,他對法拉第的禮遇表明了他對英國當時最偉大科學家的敬重。1862 年法拉第覺得連自己創辦的聖誕節演講都已經沒有體力再應付,於是向皇家研究院提出辭呈。之後都在漢普頓宮的住宅裡昏沉渡過。他在 1867 年 8 月 25 日坐在他喜歡的書房椅子上壽終正寢。

像法拉第這樣的大學者,當然可以像牛頓一樣被埋葬在西敏寺,但法拉第依循桑地馬尼安派的作風,免去一切禮儀,僅在家人和幾位至親友人的環繞下,埋葬於 Highgate Cemetery。從漢普頓宮出發的短短的送葬行列,在皇家研究院前短暫停留之後,前往墓地。那裏立著刻有法拉第姓名和生卒年的樸素墓碑,座落於非國教徒的角落。


 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 6 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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物理雙月刊_96
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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。圖/截取自泛科學 YT 頻道

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖畫反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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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

  • 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 ・ 53 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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「時間」是誰定義的?隱藏在鐘錶下的謊言——《時鐘在說謊》
時報出版_96
・2022/11/25 ・3215字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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是誰定義了時間

我們都知道就某種程度而言,時鐘的計時只是為了方便起見而採取的人為手段。我們鐘錶所報出的時間,是我們大家都同意使用的時間,我們的社會則是依循此一時間運作,但是我們的時間其實只是大家所認同的一個近似值。

今天我們所遵循的時間,是誰定義的? 圖/GIPHY

即使是在今天,原子鐘與全球定位衛星向世人提供的時間能夠精確到十億分之一秒,也並非真正的時間。這些原子鐘都是政治協議下的產物,例如一秒鐘的長度或是時區的幅度,而且我們會為了配合國界來改變時間或是使用日光節約時間。

因此,時間並非由物理決定,而是政治。

事實上,物理學否定單一真時的概念。根據阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)的相對論,現代物理學家主張時間是相對的,會根據速度與重力而改變。

就一般大眾而言,相對性是在我們不知不覺中產生的效應,微小到幾乎無從衡量,但是卻足以讓衛星系統計算時間膨脹來維持穩定運作。總而言之,愛因斯坦的真知灼見意味人類無法找到一個統一的全方位計時標準。

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時間是由我們來決定,因此,時間就應了那句老諺語:「大家異口同聲的謊言。」

計時系統並沒有「真正」的時間,時間並不完美,世界時(universal time)仍有待我們發現。

現在的時間完全是編造的。本書所敘述的就是我們如何編造時間的故事,質疑為什麼時間是現在這個樣子?尤其是計時如何成為全球標準化的系統?畢竟它是相對近期才有的現象。

世界的時鐘開始轉動

在十九世紀之前,所有的時間都是地方時(local times)。巴黎的時鐘與莫斯科的時鐘並不需要相互校正。不論是徒步還是騎馬,來往於城鎮之間的旅行都沒有快到需要考慮距離中午或是超過中午幾分鐘,還是幾小時。

過去的移動速度較慢,因此不用特別校正不同國家的時間。 圖/GIPHY

我們可以這麼說,在那個時候,騎馬旅行沒有所謂時差的問題。一直到了十九世紀中期才開始出現改變。鐵路與電報的發明幾乎是單槍匹馬創造了一個相互連接的新世界。與此同時,各城市之間的時差突然也開始變得重要。

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電報需要細心協調發送者與接收者之間的時間,鐵路若是沒有精確的時刻表,就會面臨生命損失的重大威脅。因此,為了避免混亂,必須有一套各方都同意的新計時系統。這些新科技無庸置疑為時間的標準化帶來動力。

不過鐵路與電報的發明並不足以說明,世人為何要以他們當初使用的方式來化解全球計時的挑戰。這些解決方式並非由科技來決定,而是透過社會與政治途徑形成,也因此更為有趣。

這是一則關於互連新世界成長煩惱的故事,(就計時而言)這樣的煩惱大約在一八七五到一九一四年達到高峰。

時間的齒輪在十九世紀悄悄轉動了。圖/envato.elements

啟動計時革命的必要性在十九世紀逐漸浮現,尤其是在歐洲,我們或許可以把那段時期稱作存貨時代或盤點時代。當時長達幾世紀的全球探險傳奇已經結束,維多利亞時代於是全心投入測量與盤點全球的資源。

這類活動可以是良性的,例如在科學界建立新的專業領域,將所有的事物標準化,包括度量衡、為蝴蝶分類以及時間。另外還有以商業利益為目的的測量、土地測繪、為作物分類與安排出口等。

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但是這類盤點的活動也有黑暗的一面,即是形成殖民剝削。

權力與地位決定了你能擁有的時間

土地的測繪與測量可以用來作為都會區佔用全球其他地區資源的工具。時間的測量可以幫助水手在汪洋大海中找到他們的經度,然而這樣的能力也促成海外殖民化。

不論是好是壞(往往是壞的一面),整個世界都開始接受測量、組織、分類與標準化,所有的事物都各有其位,計時也不例外。可想而知,這是一段混亂的過程。

人類要掌控一切的野心已超過他們的技術水準。國家、專業與商業的競爭,再加上階級的不平等與殖民地的爭奪,使得這些工作難臻完美。

世人永遠不缺如何組織與管理這個世界的法子,但是要讓大家都接受,不論是憑三寸不爛之舌或是脅迫的手段,都不是容易的事情。就計時而言,意味十九世紀中葉若問某人現在時間為何,可能會引出一個複雜的回答。

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問題並不在於缺少來源:當時鐘錶已廣為流行,市政廳與火車站的牆壁上都掛有裝飾用的大鐘,各個不同的宗教在全球許多地方都會以鐘聲來提醒信徒。同時,在緊要關頭,太陽與潮汐也可以用來粗估時間。不論是都市還是鄉村、富人與窮人、國家與殖民地,報時的工具無所不在。

問題是,儘管時間並不缺乏測量的工具,但是卻往往會造成始料未及的衝突與競爭。鐘錶相互之間並不同步,即使是最精美的鐘錶也只能維持完美的節奏幾個星期而已。這樣的情況意味每個鐘錶所報的時間都不一樣。

然而使這個問題更加複雜的是,決定一座鐘錶是否準確的依據不是科技,而是權勢、政治與社會規範。

雖然鐘錶互不相同只是無意間的結果,但是也可能是人為故意的,因為不同的專業、宗教、文化與國家都自有一套計時的方法(更別提日曆了,每一種都是依據不同的文化、宗教與天文學基礎而制定)。

權力與階級決定了時間的準確性。圖/envato.elements

Time’s law——被規範的時間法

時間的不確定已成常態,但人們質疑我們在二十一世紀視為當然的操作。

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為什麼時鐘有十二個小時?

為什麼一天是從午夜開始?

為什麼波士頓的鐘錶要與伊斯坦堡或東京的相互連接?

為什麼全球的時間要從英國格林威治皇家天文台(Greenwich Observatory)一條想像中的經線開始起算?

為什麼是二十四個時區,不是十個,或者根本就沒有時區?

時間並非由天文、地理,或是任何一種「自然」力量所制定,而是人們在特殊的情況下所決定,而且往往對於可能造成的結果毫無頭緒。如何測量時間已成為一項極具爭議的問題,引發激烈的辯論,而且難以解決。

這些激辯的中心是一八八四年在華盛頓特區舉行的國際子午線會議(International Meridian Conference, IMC)。在這裡,來自近三十個國家的外交官、科學家、海軍軍官與工程師齊聚一堂,討論本初子午線的創設與全球計時,以及地圖繪製的未來。

該會議身為現代標準時間的起源,本身就具有神話與傳奇的色彩。通俗歷史將此會議描繪成如桑福德.佛萊明(Sandford Fleming)與威廉.艾倫(William Allen)等改革家,為全球設立時區之類創舉的時刻。

但這是過度簡化這場會議的意義了。我們如今所知道的標準時間,並非在這場於一八八四年華盛頓召開的會議中敲鑼打鼓下誕生的。

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確實如此,有些歷史學家還認為,這場會議對於艾倫與佛萊明等推動時間改革人士而言是一大挫敗,因為儘管該會議創立了本初子午線,但是並沒有達成任何與時區、標準時間相關的協議。

IMC 最多也不過是邁向現代標準時間長期發展路途的踏腳石,是全球時間測量方式改變的開始,而非結束。標準時間至少要到一九四○年代才在全球通用。

——本文摘自《時鐘在說謊》,2022 年 10 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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