之前介紹過火龍卷實驗，可以利用旋轉外罩網來增加空氣的旋度，讓上升的氣流跟火焰變成火龍卷，增加燃燒的效率。其實類似的機制也可以用在吸煙區的除煙室的設計上，在這影片中，除煙室中央有一個空氣吸入口，而除煙室周圍有一些空氣簾，然後空氣簾都朝同樣的順時針方向排氣來製造有旋度的空氣。
當這樣有旋度的空氣被中心的空氣吸入口集中到中心以後，就會產生龍卷的煙柱，讓煙很集中地快速被吸走。因為有龍捲的幫助，香菸的煙就更不會擴散到這區域以外的地方，而且排除的效率更好。同樣的設計也可以用在廚房排油煙間，或是需要控制氣流流動跟需要除塵的地方(生物實驗室，無塵室等等)， 所以同樣的原理雖然在火龍卷上可能會造成火災的蔓延，不過了解原理也會讓更多可能的應用被實現！
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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？
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。
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：
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：
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 可分成兩種：
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。
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。」
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
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拖著腳步走在酷熱沙漠中的你，突然看見前方有東西出現：一片荒蕪之中竟有一池波光粼粼的水。但當你急著走向水邊，想喝點水來解渴時，那池水卻忽然消失無蹤。事實上，你看到的不是水，而是大自然以光學錯覺對你開的殘酷玩笑。
當地表溫度讓其上的空氣升溫時，就會出現海市蜃樓；路面和沙漠經常能看到此現象。吸收大量熱能的沙子和柏油會將部分熱能傳到地面上方的空氣中。暖空氣的密度比上方的冷空氣小，當光線從冷空氣進入暖空氣時，兩者的介質密度差異便會讓光線的行進路徑產生彎折。
但你的大腦並不知道光線已被彎折。當光線進入眼中時，大腦依然以為光是從前方的地面筆直地反射而來，所以我們會把被折射到地面的藍天看成地上的一池水。我們以為終於得以解渴，但一切都是錯覺。
本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 30 期（2017 年 03 月號）
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上班族閒聊的時候，只要提到搭飛機，不可免俗地都會談到機艙的空氣品質，你可以替我們解惑一下嗎？因為我們常聽到一些傳言，說機艙的空氣不僅骯髒，又充滿細菌。
骯髒、到處都是細菌、很糟糕、噁心、品質惡劣、讓人反感、不好聞、腐敗、很臭、到處都是屁味。大眾用來描述機艙空氣品質的用語中，以上這些還只是一小部分而已。外界還有為數不少的傳言，就是有些旅客聲稱，在機艙內循環的細微病菌害得他們身體不舒服，但機艙內部的空氣其實非常乾淨。
現代飛機上的旅客還有組員所呼吸的氣體，其實是由回收循環的空氣以及外界的新鮮空氣所組成。將兩種氣體混合，不單只用新鮮的空氣，這種做法更能夠調控機艙內的溫度，還可以維持一點溼度（其實只能短暫維持而已）。機艙內部的氣體是從發動機的壓縮區段而來。壓縮過後氣體溫度相當高，不過在這個區段壓縮機只是擠壓空氣，氣體並沒有跟燃料、滑油，或者是燃燒室的氣體接觸。氣體從壓縮機分流之後就會送進空調系統冷卻，隨後就由導管輸送進入機艙，中間會經過百葉窗式氣縫、通氣孔，還有旅客座位上方的冷氣口（駕駛都稱空調系統稱為「PACKs（pneumatic air cycle kit）」，這是「氣動式空氣循環裝置」的簡稱，通常一架飛機都有兩組這種裝置）。
空氣進入機艙後會持續循環，直到被吸入機身底部為止，到了這個階段，有一半的氣體被抽出機身外—由主增壓外流閥排出。這個時候，機身內的另一半氣體會跟發動機灌入的新鮮空氣混合，經過濾清器，開始新的循環。
研究顯示，跟其他密閉空間相比，擁擠的機艙內部的病菌並沒有比較多—通常還更少。製造機身底部濾清器的公司都說這些裝置屬於醫療等級，雖然我早就知道你們可能會說醫院根本是病菌的溫床，但是波音公司指出，濾清器可以捕捉空氣中百分之九十四到九十九點九的微生物，而且每兩到三分鐘就會重新換過一次空氣，遠比辦公室、電影院，或是教室的頻率高出許多。
外界一直有一個根深柢固的迷思，那就是駕駛會定時降低空氣的流量來節省燃料。令人惋惜的是，有些很可靠、頗具權威的新聞媒體也跟著附和這種無稽之談。這邊就有一個鐵證：以下這段話是取自《經濟學人》二○○九年的其中一期，裡面寫道：「一半新鮮空氣、一半則是回收循環的氣體，航空公司通常都會維持這樣子的比例。然而駕駛可以調降新鮮空氣的比例來節省燃料，有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」讀到這裡的時候我都傻眼了。我特別愛這句：「有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」這句話聽起來豈不是帶著濃厚的陰謀色彩嗎？
首先，駕駛無法調整飛機的空調系統，也沒辦法控制兩種氣體之間的比例。裝置的製造廠商早已設定好氣體的比例，也無法從駕駛艙來控制調整。在我駕駛的波音飛機上，我們可以直接調控溫度，但是只能間接控制氣流。如果你們請我「把新鮮空氣的比例降到百分之二十」，我還會很有禮貌的告訴你們我辦不到。開始飛行之前，調整的開關已經設定成自動模式，氣動式空氣循環裝置也會稍微掌控比例的調整。既然兩個發動機持續運轉，一切也都順利的運作，絕對不用擔心氣流有什麼狀況，唯有故障的時候設定才會更動。
我個人並不是很熟悉空中巴士的機型，不過我們可以跟空中巴士專家聊一聊。「空中巴士系列的飛機，從A320到比較大型的A380，這些機型都有讓駕駛調整氣流的方法，但是絕對不是《經濟學人》描述的那樣。」戴夫英格力須說，他是A320的駕駛，也是一名飛航作家。
戴夫解釋說空中巴士的氣流控制器有三個段位，分別標示為高（HI）、正常（NORM），還有低（LO）。「基本上大部分時間氣流控制器都是位於正常的位置，這個時候空氣流量為自動控制。如果需要快速調整氣溫，會把駕駛桿調到高的位置；位置低的功能就像名稱表示的那樣，這個段位會降低空氣流量、節省一些燃料，但是降低的幅度極小，也很少派上用場。公司會告訴我們，只有在乘客數量少於一百人的時候才能調到低。而且改變不大，乘客坐在機艙內，幾乎無法察覺任何差異。」
飛機在地面上的時候，你偶爾有可能會聞到一股強烈的氣味—飛機後推之後，機艙內很快會聞到一股刺鼻的氣味，就像是老舊的汽車或巴士排放的廢氣。通常在發動機啟動、廢氣被吸入空調組件中的時候，就會發生這種狀況。這種情況常常要怪外頭的風，風讓氣流逆向吹送，或是把煙霧吹進空調組件的進氣口。這種味道通常只會持續幾分鐘，直到發動機開始穩定運轉就會消失了。這股味道不好聞，不過這跟塞車的時候，你偶爾會在車內聞到的味道不太一樣。
如果乘客抱怨機艙的空氣太乾，這就很合情合理。沒錯，機艙內通常相當乾燥，沒什麼溼氣。機艙的溼度大概在百分之十二左右，甚至比大多數沙漠乾燥許多。飛機在高空中巡航時，機艙乾燥就是最主要的附帶結果，因為在高海拔的空中，水氣的含量很低、甚至微乎其微。提升機艙的溼度看似是一個簡單合理的解決之道，但是我們不這樣做的原因有以下幾種：首先，噴射客機需要載運大量的水，才能讓機艙充滿水氣，但是這樣不僅代價高昂，也會增加重量。加溼系統需要將水重新循環利用，水量愈多愈好，因此這個系統所費不貲，也相當複雜。這組系統確實存在：一個就要超過十萬美元，但也只能小幅提升溼度而已。腐蝕的問題也不能忽視：溼氣跟水珠會依附在機身內部，這對飛機來說傷害很大。
波音787上的濾清器能將效能發揮到百分之九十九點七，所以787的機艙空氣品質是所有商用客機中最有益人體的，溼度當然也高出許多。而且機身的整體構造較不受水氣影響，也有一個特殊的循環系統，會將乾空氣打入機艙跟外殼的夾層中。
舉出以上例子，並不是要強調旅客絕對不會在飛行時感到不適。雖然空氣很乾淨，但是太過乾燥卻對人體的鼻竇有害。乾空氣會破壞鼻黏膜的防護，病菌就更容易入侵。不過，導致乘客生病的通常不是他們所吸入的空氣，而是他們所碰的東西—廁所的門把，還有充滿細菌的托盤跟扶手等等。我不時會看到有乘客戴著口罩，跟這個方法比起來，帶一點乾洗手液在身上或許更能降低生病的機率。
如果你說飛機是散播特定疾病的潛在因素，這點我也不否認。飛機能載著我們快速地長程飛行，確實帶來很多好處，但風險也隨之而來。有一次從非洲起飛的航程結束、飛機落地之後，我發現駕駛艙內有一隻蚊子，我心想：「這隻小小的偷渡客，很容易就溜到航廈裡面咬了某個人。」想像機場內有一個毫無戒心的工作人員，他從來沒有出過國，但是卻突然染上了外來的疾病。事實上，這種情況幾年來都持續發生。這種「機場瘧疾」的案例在歐洲確實有發生過，還因為誤診或延誤就醫喪失了好幾條人命。即使這種慘劇還沒出現在美國，遲早也會發生。全球航空旅行如此有效率地把病菌從一大洲散播到另一洲，這種現象確實頗具教育意義、引人注目，但是老實說，也讓人有點心驚膽戰。
本文摘自《機艙機密：關於空中旅行，你該知道的事實》，由好人出版 出版。
延伸閱讀：
之前介紹過火龍卷實驗，可以利用旋轉外罩網來增加空氣的旋度，讓上升的氣流跟火焰變成火龍卷，增加燃燒的效率。其實類似的機制也可以用在吸煙區的除煙室的設計上，在這影片中，除煙室中央有一個空氣吸入口，而除煙室周圍有一些空氣簾，然後空氣簾都朝同樣的順時針方向排氣來製造有旋度的空氣。
當這樣有旋度的空氣被中心的空氣吸入口集中到中心以後，就會產生龍卷的煙柱，讓煙很集中地快速被吸走。因為有龍捲的幫助，香菸的煙就更不會擴散到這區域以外的地方，而且排除的效率更好。同樣的設計也可以用在廚房排油煙間，或是需要控制氣流流動跟需要除塵的地方(生物實驗室，無塵室等等)， 所以同樣的原理雖然在火龍卷上可能會造成火災的蔓延，不過了解原理也會讓更多可能的應用被實現！
本文原發表於科學影像Scimage
