想死而復生，先冰起來就對了……嗎？史上第一個冷凍人│科學史上的今天：1/12

• 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。

還好礙於倫理考量，沒有人打算經由技術手段將奧茲冰人復活。不過冷凍人的復活倒是不少科幻小說中常用的哏。

最早的一篇可以追溯到 1931 年，故事的主角叫詹姆斯，他死後遺體被保存在低溫和真空中發射到太空裡，就這樣漂泊了幾百萬年。後來他的遺體被外星人復活，復活的方式也十分特殊：只復活了他的頭顱，並為他裝上了機械身體。就這樣在人類已經滅絕的時代，詹姆斯獲得了永生。

其實在現實中，雖然幾百上千年不好說，但要讓一個人凍上幾十年，並且仍具有「復活」可能性的技術早已出現，那就是人體冷凍技術。

獲得永生的起點——人體冷凍

1962 年，羅伯特．艾丁格博士（Robert Ettinger）出版的《永生不死的前景》一書，是現實中的人體冷凍的起點。艾丁格博士在書中指出：人類和大量低等動植物一樣，具有「冷凍復活」的潛力。他還在書中預言人體冷凍技術可以使「我們大多數人獲得永生不朽的機會」，並對此進行了嚴密的科學論證。這本書的出版標誌著人體冷凍保存運動的開端，艾丁格博士後來也因此被稱作「人體冷凍之父」。

人體冷凍並不是簡單地將人一凍了之，而是以在未來的某個時刻將冷凍的人體喚醒為目的的冷凍。因此，在技術上，不但要考量如何將人凍住，也要考量在冷凍以及化凍時不會對人體產生傷害。像奧茲冰人那樣凍成一具乾屍，肯定是不行的。

不過經由前面小象由香和奧茲冰人的故事，我們已經了解，在生物體死後及時讓其進入低溫環境，可以很大程度上延緩甚至叫停讓屍體腐爛。同樣，人死後越快進入冷凍，細胞和身體受到的影響就越小。當然，只要提前簽好協議、做好準備、安排好一切事宜，及時進入冷凍狀態並不是什麼困難的事情。

要怎麼把活人冰起來？

常煮飯的廚藝愛好者都應該知道，一塊鮮肉，在經過冷凍再化凍後，往往會滲出大量的血水。這是因為在冷凍時，細胞中的水分會結冰，而這些冰晶會破壞細胞結構，從而造成細胞的死亡。凍肉化凍時滲出的血水，很大一部分就來自這些破損的細胞。這顯然是我們在以喚醒為目的的人體冷凍中不願意看到的結果。

因此，在對人體進行冷凍之前，需要經由手術和灌注，將人體中的血液替換為冷凍保護劑。冷凍保護劑可以降低冰點，減少冰晶的產生，最大限度地避免對身體細胞組織造成破壞。然後，人體才會進入降溫程式。經過 60 小時的降溫後，冷凍的屍體就可以被轉移到巨大的液氮罐中長期保存了。

如今世界上冷凍人的數量已經接近 500 人，但能夠獨立實施人體冷凍的機構只有 4 家，分別是美國的阿爾科生命延續基金（Alcor Life Extension Foundation）及人體冷凍研究所（Cryonics Institute）、俄羅斯的 KrioRus 和中國的山東豐銀生命科學研究院。其中人體冷凍研究所是由「人體冷凍之父」艾丁格博士創立，而阿爾科生命延續基金會中保存著全世界第一個被冷凍保存的人詹姆斯．貝德福（James Bedford）的身體。

按照計畫，貝德福本應該在進入冷凍狀態 50 年後，也就是 2017 年被喚醒，但阿爾科生命延續基金會至今並未行動。

一方面，我們可能仍未對喚醒冷凍人在技術上做好準備；另一方面，據傳聞，貝德福當年所使用的冷凍保護劑似乎對人體傷害甚大，也就是說，就算技術完備，貝德福是否能夠醒來也十分不好說。

人體冷凍很貴嗎？

進行人體冷凍的費用倒是並沒有想像中那麼高昂，以這幾家機構中收費最高的阿爾科生命延續基金會在 2017 年的報價為例，進行全身冷凍的費用約為 20 萬美元，還有一個更便宜並且更具有科幻意味的選擇——單獨冷凍頭部，僅需 8 萬美元。不過，在現有的技術手段之下，選擇人體冷凍，比起「追求永生」和「無限可能」，更像是在參與一場結果未知的科學實驗。

當然，技術仍然不斷進步，關於人體冷凍的最新進展似乎為貝德福以及其他被凝固在液氮罐中的人們帶來了一些希望：據報導，2020 年 12 月，一個在液氮罐中沉眠了 27 年的胚胎被取出植入一位母體的子宮，並分娩出一名健康的女嬰。

如果有一天，我們真的像艾丁格博士所說的那樣，打破生與死的邊界，獲得「永生」之時，生命是否也就失去了很多意義？

——本文摘自《真的假的！奇怪知識又增加了：自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想》，2023 年 7 月，晴好出版，未經同意請勿轉載。

• Colwellia psychrerythraea 
• 冷紅科爾韋氏菌
• 形狀：小桿狀
• 顏色：淺紅色
• 長：2.5 至 3.5 微米
• 直徑：0.5 微米
• 前進：使用鞭毛

攝氏 –196 度的世界

據當今研究結果所知，在生命出現的早期，地球上炎熱期與冰凍期交互出現，前者平均溫度可達攝氏五十度，後者溫度可低至地表完全凍結。火山爆發及隕石和小行星的撞擊，使地球溫度升高，經由化學反應及後來出現的生物反應消耗大氣層中的二氧化碳，又使地表變冷凍結。

對大多數的生物來說，今日地球是個既濕又冷的家。地表面積超過百分之七十全是海洋，其中三分之二又是寒冷的深海帶，終年溫度只有攝氏二至三度。地表上所有水域裡，淡水僅占百分之二點五，溫度卻也沒有太大差別：百分之九十的淡水，都儲存在極地冰塊及散布地球各處的冰河裡。

自人類開始定時測量並記錄溫度後，最低溫的紀錄是在南極測得的攝氏零下八十九點二度，不過那裡的溫度也從未上升到比結冰點還高。比較重要的是，有些地方雖有溫暖期，但在夜間或冬天會變得異常寒冷，像亞洲一些地方最高溫可達攝氏四十九度，但低溫時也會降到零下五十度。因此不難想像，為何這麼多的細菌都具有高溫差環境的適應力。

所有在低溫環境仍然活躍的細菌中，冷紅科爾韋氏菌特別引人注目：這種微生物在攝氏零下十度還可四處遊走，在攝氏零下二十度還能繼續生長分裂繁殖。甚至在攝氏零下一百九十六度超低溫環境，研究人員還可觀察到其新陳代謝的運作。

冷紅科爾韋氏菌能在液態氮（這可是能將花朵瞬間凍成易碎玻璃的物質）中將胺基酸吸收並用來組成自己的細胞。此特性要歸功於它的保暖聚合物及在細胞外作用的酵素，讓它被包覆在網狀的分子結構裡，就像穿了一件毛衣，保護其免於水分形成整齊的冰晶結構。耐寒細菌的細胞壁結構類似液晶，在極冷和高壓下仍然可以保持液態，這也解釋了為何它同時也耐高壓。

掌握低溫生物技術

科爾韋氏菌屬發現於一九八八年，發表研究結果的作者建議以美國微生物學家麗塔．科爾韋（Rita Colwell）之名來命名，以示敬意。科爾韋生於一九三四年，在一九六○年代發現沿海水域有霍亂弧菌，而且常寄生在以藻類為食的浮游性橈腳類^[1]動物上。

在氣候溫暖或養分過剩導致藻類大量繁殖時，就會吸引這些細小的甲殼類動物前來，細菌也就隨之而來。科爾韋發現這項事實後，立即成立安全用水供應網，設法以盡可能簡單的工具，例如自造的過濾器，防止因飲用水造成的傳播感染。

此後，她還與其他伙伴一起創立 CosmosID 公司，以期快速檢驗出環境樣本中的細菌。為了向她致敬，南極一座山塊^[2]就以她的名字命名。冷紅科爾韋氏菌的種小名 psychrerythraea，則由希臘文 psychros（冷）及拉丁文 erythraeus（紅色）組成，因這個細菌嗜寒並含有紅色色素。

冷紅科爾韋氏菌也可以在無氧的環境中存活，還可利用各種結構簡單或結構複雜的有機化合物做為養分。由於這種細菌能分解很多種含氮化合物，甚至還能利用硫來產能，因此相當適合利用它在寒冷地區處理環境污染問題。

除此之外，此種細菌也可能促進新疫苗的發明。科學家將病原菌重要的代謝基因替換成冷紅科爾韋氏菌的代謝基因，得到以下結果：病原菌在低溫下正常生長，但在常溫時停止生長，細胞逐漸死亡。這種弱化後的病原菌可用在活體疫苗，使身體在不受危害的狀況下產生足夠的免疫力。此法已在動物實驗中證實可行。

註解

• [1] Copepoda，橈腳類或譯橈足類，海洋中數量眾多的一群甲殼動物。
• [2] massif，又稱地塊，地質學中的一個結構單元，比構造板塊要小。

——本文摘自《細菌群像：50種微小又頑強，帶領人類探索生命奧祕，推動科學前進的迷人生物》，2023 年 ３ 月，麥田出版，未經同意請勿轉載。