足球賽前國歌唱得越熱情就越有機會贏？關於世足國歌的那些事

• 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。

鬱期（depressive episodes）心情低落，稍嫌冷感；躁期（manic episodes）無故亢奮，興致勃勃。雙極性疾患（舊稱「躁鬱症」；bipolar disorder）下的性慾起伏，他早都經歷過。然而，這次前所未見的打擊，令他無助、沮喪、心急如焚。葡萄牙 Magalhães Lemos 醫院的精神科醫師，全都看在眼裡，勢必得與他堅定攜手，共同面對。^[1]

時年 33 歲的男子，原本僅服用抗精神病藥物喹硫平（quetiapine），控制雙極性疾患的病情。醫師為了預防復發，便於 2020 年 2 月 14 日，西洋情人節當天，首次加開情緒穩定劑鋰鹽（lithium），每日 400 毫克。同年 3 月 7 日，劑量增加至每日 1 公克。只是醫師的一番美意，竟帶來重挫士氣的不良反應：5 月 26 日回診時，男子抱怨過去一個月，性行為的表現不如以往。^[1]

早洩

舉凡異常的性慾、勃起和射精等，都是男性性功能障礙。其中最為普遍的早洩，讓有些患者避免發生親密關係。^[1]男人要達到性高潮並射精，快者僅需 1 分鐘不到，慢的則超過半小時；而平均值約在 5 到 7 分鐘之間。^[2]根據《精神疾病診斷與統計手冊》第五版（DSM-5），在陰莖插入陰道後 1 分鐘內射精，且總是無法控制或延緩，即可視為早洩（premature ejaculation）。^[1]（男同性戀的幸福是不是被忽略了？）

本案的苦主近來都不用 1 分鐘就射了，既符合診斷條件，又遠低於個人的常態基準。^[1]局部性麻醉劑能夠延緩射精，^[2]但他自行購買塗抹，卻毫無效果。精神醫師排除嗑藥、壓力、發燒、高血壓、糖尿病、血脂異常、前列腺炎，以及勃起障礙等，各種干擾性功能的肇因。最後，推測或許是鋰鹽的副作用。^[1]

鋰鹽

會導致性功能障礙的精神科藥物繁多，難免降低病患長期用藥的意願。男性體內，與射精有關的神經傳導物質，包括：血清素（serotonin；5-HT）、多巴胺（dopamine）、催產素（oxytocin）、伽馬氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid；GABA）、腎上腺素（adrenaline）和一氧化氮（nitric oxide）等。整體來說，射精主要靠多巴胺促進，並由血清素抑制。基於對此二者的影響，喹硫平理論上會延遲射精；而鋰鹽則有導致早洩的危險。鋰鹽如果再與苯二氮平類藥物（benzodiazepines）並用，造成性功能障礙的機率更高。^[1]

治療

鋰鹽觸發的早洩，有下列幾種改善方法：^[1]

1. 心理教育：從認知層面，克服心理屏障，再學習觀察並運用性衝動的生理訊號。^[3]
2. 行為治療：自慰到快射就停止的欲射又止（start-stop）；^[3]以及想射時，就輕掐近龜頭處的停頓擠壓（pause-squeeze），^[4]都是練習延緩射精的技巧。^[1]
3. 藥物治療：選擇性血清素抑制劑（selective serotonin reuptake inhibitors，簡稱SSRI）能對抗早洩。身為歐洲唯一核准用於此症的SSRI，^{[1, 2]}必利勁（商品名Priligy；學名dapoxetine）能在口服1小時內，達到最高血漿濃度，^[5]並將射精拖延個1到1.5分鐘。^[2]同時，也會減低性慾，還有血清素症候群（serotonin syndrome），這種罕見卻致命的副作用。^[1]
4. 調整藥物：減少劑量，或者性交後才服藥。^[1]

醫師不想冒著雙極性疾患復發的風險，調整男子此時的精神科常規用藥：每日150 毫克的喹硫平和1公克的鋰鹽，於是採用上述的前三種方法。不過男子回診時，表示害怕副作用，所以完全沒碰必利勁。後來醫師在他精神狀態穩定的情形下，又將鋰鹽的劑量緩慢降回400毫克。男子總算重振雄風。^[1]

參考資料

1. Almeida PA, Caldas F, Melo IH de, et al. (2023) ‘Premature Ejaculation after Lithium Treatment in a Patient with Bipolar Disorder’. Case Reports in Psychiatry, 6156023.
2. Germany’s Institute for Quality and Efficiency in Health Care (IQWiG). (12 SEP 2019) ‘Premature ejaculation: Overview’. InformedHealth.org.
3. Ventus D, Gunst A, Arver S, et al. (2020) ‘Vibrator-Assisted Start–Stop Exercises Improve Premature Ejaculation Symptoms: A Randomized Controlled Trial’. Archives of Sexual Behavior, 49, 1559–1573.
4. ‘Premature ejaculation’. (14 JUL 2022) Mayo Clinic.
5. ‘Dapoxetine for premature ejaculation’. (2013) Australian Prescriber, 36:212-8.

公寓裡的陣陣呼救，劃破了 2016 年 8 月某個寧靜的早晨。這裡雖然是倫敦，但住戶、受害者與嫌犯，全都來自波蘭。^[1]

時年 25 歲，高 184 公分，重 72 公斤的波蘭男子 A，當時在地面層的自家臥房，被刀子砍傷。他擠過狹小的窗戶，落在前門的台階上，再從人行道逃脫。監視錄影器拍到同棟的住戶 B 與對街的鄰居 C，正離開該公寓，並朝著反方向走去。同時，幾名住戶聽到喊叫前來關心，但應門的卻是與 A 同住的 D。^[1]

不久，D 尾隨 A 出去。倒是 B 返回公寓，進入 A 的房間，一下站上沙發，一下又沾染 A 的血跡，踩出鞋印。另一頭，A 蜷曲在一輛停靠路旁的車後大聲求救，然後移動到距離自家 60 公尺外，位於別條街的住宅前倒下。裏頭的人聞聲出來察看，只見他癱在階梯上的血泊中，被血液浸漬的 T 恤則掉在身旁。^[1]

警方的假設

警方沿著血跡，一路從陳屍地點，追溯到 A 的家，並做出下列假設：

1. A 被攻擊的範圍僅限臥室。^[1]
2. 他身上所有的傷，都是在室內造成的。^[1]
3. 血跡顯示其路徑，且某部份能用監視錄影的紀錄佐證。^[1]

血斑型態

鑑識人員在公寓內找到幾種不同型態的血斑：

1. 沾有血液的表面碰觸其他物體時，會產生所謂的轉移血斑（transfer bloodstains）。^[2]在這個命案中，是混雜著頭髮，抹在床邊的牆上。^[1]
2. 血液受外力作用而四散的噴濺血斑（spattered bloodstains）。^{[1, 2]}
3. 在吸附性材質上才會有的滲透血斑（saturation bloodstains），^[2]則是集中在臥室裡的床墊上，顯示許多衝突都在那裏發生。^[1]

有別於室內，在窗檯以及逃脫的路途上，僅有幾滴受重力作用產生的滴落血斑（drip bloodstains）。^{[1, 2]}然而從保險桿上的血跡可見，當他躲到車後，失血量就已經開始增加。最後，在陳屍地點附近，他的血液更是宛如泉湧，^[1]不乏經口鼻噴出的吐氣血斑（expiration bloodstains）以及受到壓力而噴發的噴射血斑（projected bloodstains）。^{[1, 2]}

驗屍報告

A 的頭、頸、左肩、左腕以及右前臂，有多處刀傷。後腦勺的銳器創傷（sharp force trauma），能對應到公寓裡的血跡。最致命的一刀，約有 14 公分深：從頸部左側進入，穿過肌肉和氣管，並割斷右頸動脈。呼吸道與肺部，有被吸入的血液。另外，他身上其他地方，也不乏鈍器創傷（blunt force traumas）。至於 A 體內的微量大麻和安非他命，則被認為濃度不足以影響案情。^[1]

法庭判決

B、C 和 D 三個人，均被檢方以謀殺罪嫌起訴。B 表示，他目擊 D 在臥室裡刺傷 A，於是離開公寓。他事後又回來找 A，才會留下足跡。不過，因為 B 與 C 曾向警察撒謊，所以 B 對 D 的指控在庭上不具說服力，反而只是證明自己也在場。六個禮拜的訴訟過程中，B、C 與 D 都被認定案發時在 A 的臥室裡，而所有的刀傷也都在那裏發生。陪審團投票以 10 比 2，判決 B 和 C 有罪；但 2 次投票無法對 D 的部份達成共識，後者因此被無罪釋放。^[1]

然而，事情就到此結束了嗎？

血跡分析及全案重審

有一個新的專家團隊，重新檢視證據，並提出與判決迥異的看法。首先，在臥房裡慘遭割頸的 A，不可能在逃離公寓時只滴一點點血。他要嘛失血過多，幾分鐘內便休克倒下；要嘛全程用手加壓，結果血液流進氣管，難以呼吸，還會在室內和窗檯上製造出現場沒有的吐氣血斑。更何況監視錄影有拍到，他在街上雙手下垂，沒有摀住脖子。公寓內的血跡，則是頭部與背部流血所致，和頸部的致命傷無關。^[1]

其次，喉頭的刀傷會防止大聲呼救，但他卻叫到驚擾整棟樓房。此外，從吐氣血斑和噴射血斑的地點，可以推論關鍵刀傷發生在陳屍處附近，而非公寓裡。換句話說，根本不在那裏的 B 與 C，絕非殺死 A 的兇手。^[1]

基於新的證據分析，2021 年 1 月 B 和 C 的判決被撤銷，全案重審。同年 8 月，英國中央刑事法院（Central Criminal Court）放兩人回波蘭，與家人團聚。^[1]

參考資料

1. Grey S, Lartey J, Millington J, et al. (2022) ‘An avenue to miscarriage: a case report’. Forensic Science, Medicine, and Pathology.
2. 〈常用鑑識名詞對照表〉社團法人臺灣鑑識科學學會（Accessed on 14 OCT 2022）