將受傷鳥兒送回天空的「猛禽救傷站」，平日裡面臨哪些挑戰？──「猛禽超日常」講座記錄

• 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。

文同，字與可，是北宋著名畫家，以畫竹聞名。文同是蘇軾（東坡）的表兄，曾送給蘇軾一幅竹畫。文同去世後，蘇軾看到這幅畫，寫了篇紀念文章，開篇記述文同的對畫竹的看法，其中有這麼一段話：

故畫竹必先得成竹於胸中，執筆熟視，乃見其所欲畫者，急起從之，振筆直遂，以追其所見，如兔起鶻落，少縱則逝矣。

譯成白話就是：

所以畫竹心裡一定先要有完整的形象。畫時執筆凝神熟視，就能看到自己所想畫的。這時趕緊畫下心中所見，宛若兔子剛跳起來，兔鶻就飛捕下去般迅速，否則靈感稍縱即逝。

蘇軾的這段話產生了兩個成語：胸有成竹、兔起鶻落。前者小朋友大概已明白它的意思，後者即使明白它的意思，大概也只知其然、不知其所以然。就讓章老師費點筆墨解釋一下吧。

兔起鶻落，比喻動作敏捷，或形容繪畫及撰寫文章迅速流暢。讓我們造兩個句吧。

老畫家提起筆來，宛如兔起鶻落，頃刻之間一幅寫意山水就完成了。

他是少林拳高手，打起拳來兔起鶻落，讓人看得眼花撩亂。

接下去就要談談這個成語的科學意義了。當野外的有蹄類次第消失，兔子成為最重要的獵獸，自然而然發展出一套以獵兔為主的狩獵方式。平民百姓用獵犬追逐，大戶人家僱請鷹師馴練獵鷹，在空曠野地縱犬放鷹，為秋冬時分有閒有錢階級最熱衷的戶外活動。

在北方，用來獵兔的鷹，以鷹科的黃鷹（蒼鷹）和隼科的兔鶻（獵隼）為主。黃鷹體型較大，單隻即可出獵。兔鶻體型較小，極少一擊斃命，通常反覆搏擊，等到兔子無處可逃，才縱犬追捕。

兔鶻體重不到 1 公斤，但飛行迅速，兇猛無比。牠一看到兔子，會收攏翅膀，像箭一般俯衝下去。蘇軾用兔起鶻落形容下筆迅捷，說不定他就是個兔鶻玩家。

在隼科中，體型最大的是產在（大陸地區）東北北部的海東青（矛隼）。說牠體型大，也不過 1.4 公斤左右。海東青簡稱海青，是最珍貴的獵鷹，飛得又高、又快，可獵取天鵝等大型飛禽。遼代皇帝每年春天在松花江畔用海東青獵天鵝，這可是一年一度的盛事啊！

遼、金、元和清朝，這些北方民族建立的王朝莫不崇尚海東青。從金、元到清代，流放遼東（今東北）者，如捕獲海東青，還可抵罪呢！

《老鷹想飛》讓社會大眾開始重視黑鳶中毒相關議題，甚至加速推動更多友善環境的農產品。位於陽明山美軍宿舍附近的「草山猛禽中心」在今年 3 月開幕，整合猛禽救傷、猛禽研究的複合場域，讓猛禽生態教育推廣有了穩健的保育基地，最近更推出「猛禽中毒特展」，希望從解決猛禽的食安問題，成為都市潛在毒害的環境指標， 歡迎大家經過陽明山都能停下腳步，一起關心我們身處的城市與淺山。

• 展覽名稱：猛禽中毒特展
• 地址：台北市士林區建業路 7 號
• 開放時間：周二至周六 11-17 點
• 門票：免費入場

猛禽中毒——猛禽的食安危機

2015 年台灣猛禽研究會(以下簡稱本會)曾出品電影《老鷹想飛》讓社會大眾開始重視黑鳶中毒相關議題，因而催生了本會「猛禽會救傷站」（以下簡稱救傷站），救傷站於 2017 年成立至今五年，我們救援超過 700 隻猛禽，其中發現不只黑鳶，鳳頭蒼鷹、大冠鷲等猛禽也有直接或間接中毒的案例。民國 30-40 年間為了增加農作產量，發展出使用浸泡高毒性加保扶的稻穀殺滅農田野鳥增加發芽率用途的農法，而這樣的方式至今仍有許多農民沿用。

《老鷹想飛》即在敘述由於這種方法導致國內具食腐特性的黑鳶數量大量衰減，殺鼠藥則除了農民用來防治鼠害外，一般我們會認為農藥與殺鼠藥而出現的猛禽間接中毒案例僅會在田間出現，但現在環境用藥容易取得，一般民眾也會用來滅鼠以維護居家環境衛生，殺鼠藥中毒的老鼠仍有移動能力，吸引猛禽獵食而導致二次中毒，我們在都市鳳頭蒼鷹也有發現到被毒害的案例。

救傷站也發現黃魚鴞、大冠鷲等猛禽部分大型猛禽有鉛與汞過高的問題，嚴重者甚至達重金屬中毒的濃度。重金屬對猛禽的影響在國內比較少被討論，在北美與日本通常因為打獵常使用鉛彈，導致猛禽食用含鉛碎片的獵物而二次性中毒，但國內打獵活動被嚴格規範，我們卻發現許多救傷的大冠鷲有血鉛濃度過高、甚至達輕度鉛中毒狀況。另外，黃魚鴞、大冠鷲、魚鷹與黑鳶都有血汞濃度過高的情形，血汞數值高達人類容許值的 10~50 倍（人體容許值：20 ug/L）。在高度都市化的北部地區，鉛和汞究竟是怎麼進到猛禽的體內呢？是否由於環境汙染導致呢？仍需要更多的研究探討。

為讓更多人能了解到居住在我們周邊的猛禽有食安問題，也反映我們環境中現在可能有的危機，2022年本會以「猛禽毒物危機」為主題榮獲聯華電子舉辦的第六屆綠獎，透過綠獎和行政院農業委員會林務局的經費支持我們增加野生猛禽寫意與病理檢驗數量，財團法人緯創人文基金會支持我們籌辦本場「猛禽中毒-猛禽的食安危機」特展，向民眾介紹各種毒物對國內猛禽的影響，更早喚起民眾警覺。

案例介紹——猛禽中毒案例

案例一：黃魚鴞

黃魚鴞（藍 B41）約 4-5 月齡幼鳥，2021/8/4 在新北市北宜路六段、北勢溪畔附近被民眾發現，本來以為是漂流木，後來發現竟是一隻虛弱的貓頭鷹。民眾通報新北市動保處後，再由動保處轉送到猛禽會救傷站救傷。獸醫師檢查發現這隻黃魚鴞幼鳥除了體態略瘦外，沒有明顯外傷或感染，抽血檢查重金屬發現血汞值高達 605.1ug/L，是一般人體容許值的 30 倍！

這隻黃魚鴞年紀尚小，在野外須仰賴父母打獵餵食。雖然缺乏黃魚鴞汞中毒的相關研究，但給予螯合劑治療後，黃魚鴞的血汞慢慢降低了，精神也越來越好。救傷復健了三個月後血汞值已降至原來的 1/4 濃度，飛行能力良好判定可以野放，我們在牠腳上繫上了腳環和色環(藍 B41)，以及讓牠背負衛星發報器來追蹤牠的野放後續情形。但很遺憾的，藍 B41 在野放的一個半月後，發報器顯示牠移動範圍過小，當我們到野放地尋獲藍 B41 時發現牠重度消瘦虛弱，救傷隔日發現死亡於籠內。(藍 B41 遺體已製作成標本，於草山猛禽中心展示)

案例二：黑鳶

2020 年 9 月底一隻黑鳶母成鳥由台北市動保處送交猛禽會救傷，根據拾獲民眾描述，牠因不明原因墜落在公寓頂樓，發現時身上帶著油耗氣味。黑鳶的頭部無力下垂且有明顯的神經症狀，包含眼球震顫、瞬膜抽動與頭部晃動。右眼也因創傷使得水晶體在燈光下混濁不清。黑鳶受理時狀況非常糟糕但體態卻不錯，因此判定為急性傷病。獸醫師初步檢驗發現其凝血異常，疑似抗凝血劑中毒，而胃內含物經快篩未發現農藥成分。

以解毒劑和支持療法治療約 1 週後神經症狀開始緩解，也開始自行進食，但其中一隻眼睛視力並未恢復，因此我們將這隻單眼視覺的黑鳶命名為「大眼仔」。視覺傷殘的猛禽在野外生存雖然不容易但並非沒有前例，加上黑鳶食性較為多樣，以及有食腐的記錄，單眼對於黑鳶影響不如鳳頭蒼鷹等喜愛獵食活體來得大，所以治療一個半月後，大眼仔恢復健康，我們決定讓牠背上衛星發報器後野放，以追蹤牠後續野放的情形。野放後的隔年，藉由發報器的定位追蹤，我們很雀躍地發現大眼仔順利繁衍生下兩隻小黑鳶，而且後來都順利離巢獨立了。

案例三：大冠鷲

2020 年五月中旬，一隻大冠鷲掉入虎頭山的水溝被發現救援，送至桃園鳥會附設非營利野生動物診所處理，再轉送來猛禽會救傷站檢查與評估。 送交本會時，獸醫師發現大冠鷲有左眼創傷，抽血檢驗後發現血鉛值高達 30.8ug/dL（0.3ppm），有輕度鉛中毒，推測牠可能因為鉛中毒導致身體不適而撞傷左眼、墜入水溝內無法飛離。

獸醫師給予大冠鷲螯合劑來降低體內鉛含量，但因為螯合劑有較強的胃刺激，會讓大冠鷲嘔吐，因此只能給較低劑量的螯合劑來慢慢降低牠體內的鉛濃度。經過螯合劑治療一個月後，血鉛值終於降到正常值（低於10 ug/dL，0.1ppm），我們將大冠鷲系上藍 B24 色環與讓牠背上衛星發報器，希望能藍 B24 的活動範圍，但追蹤發現牠雖然野放於發現地虎頭山，但連續兩年秋季都飛到台南、春天又飛回桃園，因為活動範圍太廣，目前難以確認牠可能在哪裡攝食到含鉛較高的飲食。

案例四：鳳頭蒼鷹

這隻編號 D110025 鳳頭蒼鷹是一隻正在繁殖中的母鳥，2021 年 3 月中某天早上被人發現在巢下死亡，前一天還被觀察在坐巢。母鳳頭蒼鷹的屍體送來猛禽會後，解剖發現牠體態非常良好，體重 660g 高於一般母成鳥平均值（500g）且皮下脂肪豐富，沒有外傷與骨折， 但內臟蒼白且泄殖腔內有一些帶血的排遺，還有脾臟收縮的情形，種種跡象顯示這隻母成鳥生前曾有急性大出血。

我們將牠的肝臟組織採集送交毒物檢驗，檢測出三種殺鼠藥成分（可滅鼠、撲滅鼠、雙滅鼠），因此證明 D110025 鳳頭蒼鷹是因為殺鼠藥中毒，導致消化或生殖泌尿道內大量出血而死亡。

我們可以做些什麼呢？看完這些猛禽的案例後，你覺得怎麼做可以防止這些猛禽中毒呢？