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猴子審判 │ 科學史上的今天:5/25

張瑞棋_96
・2015/05/25 ・1103字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

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一九二○年代的美國,藉助第一次世界大戰帶動的工業生產,經濟與科技於戰後快速成長,新的精神與文化也有如蠢蠢欲動的岩漿開始衝破舊有規範。人們隨著自由即興的爵士樂搖擺、不顧禁酒令的規定暢飲私酒、抽象藝術大興其道,就連禁錮已久的女性參政權也終於獲得憲法保障。

然而在這樣自由開放的社會氛圍下,仍有一道思想防線在美國南方各州悄悄築起。1925 年 3 月 21 日,田納西州州長正式簽署「巴特勒法案(Butler Act)」,明令禁止老師在學校講授違背聖經中上帝造人的任何理論,尤其是主張人由原始生物演化而來的說法。

美國公民自由聯盟(American Civil Liberties Union, 簡稱 ACLU)極為憤慨,公開聲明將義務幫助每一位因講授演化論而被起訴的教師。沒有人預料到第一個案件很快就發生在一個人口只有一千八百人的小鎮達頓(Dayton)。

一位 24 歲的高中生物代課老師斯寇普斯(John Scopes)在鎮上幾位自由派人士的鼓吹之下,故意以身試法,承認於 4 月 24 日在課堂上講授演化論,並且特意要學生作證的確有聽到他提及猿猴祖先之事。結果如他所願,5 月 25 日這一天,他因違反田納西州法律而遭到檢方起訴;這件轟動全美國、別稱「猴子審判」(Monkey Trial)的「斯寇普斯案」正式成立。

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ACLU 守諾派了律師團前來,著名的人權律師丹諾(Clarence Darrow)亦主動加入辯護;檢方的主辯人也是大有來頭:前國務卿、曾三次代表民主黨競選總統的布萊恩(William J. Bryan)。雙方於 7 月 10 日在擠得水洩不通的法庭上展開世紀大辯論。

在七天的唇槍舌劍之中,丹諾等人原本找來八位演化學專家,試圖說明演化論與聖經並不衝突,但法官只允許一位出庭作證。他們轉而主張聖經僅應適用於道德與神學層面,不應插手科學領域;甚至出險招讓對手布萊恩坐上證人席,藉由他回答詰問時,按字面意義解釋《創世紀篇》所呈現的荒謬結果,來證明巴特勒法案有多不合理。但法官主動提醒陪審團不應考慮法律的合理性,重點在於有無觸法。眼見法官明顯偏頗,於是丹諾最後一天乾脆放棄結辯,任由陪審團於 7 月 21 日宣判斯寇普斯有罪,應罰款一百美元。

對 ACLU 與斯寇普斯等人而言,他們原本就不在意贏得官司,而是意在推翻惡法。於是他們向最高法院提起上訴,主張巴特勒法案違憲,但還是敗訴了。然而就影響層面而言,他們並未失敗。因為審判過程經由全國性的廣播而引發社會大眾的省思與討論,原本已進入立法程序的十五個州中,最後只有兩個州通過巴特勒法案。1967 年,田納西州終於廢除此法案;第二年,美國聯邦最高法院裁定所有類似的反演化論的立法違憲,科學教育才終於獲得保障。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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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

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  • 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 ・ 54 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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創世論捲土重來│ 科學史上的今天:8/18
張瑞棋_96
・2015/08/18 ・1122字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

話說以美國基督教的基本教義派為首的創世論陣營雖然贏得了 1925 年的「猴子審判」,成功禁止田納西州內的學校講授達爾文的演化論,但是他們在法庭辯論時自曝其短,反而造成自己無知淺薄的負面形象。原本有意跟進的十五個州中的十三個州後來都打了退堂鼓,田納西州自己也在 1967 年廢除規定,加上美國聯邦最高法院於 1968 年裁定所有反進化論的立法違憲,創世論者等於是贏了戰役,卻輸了戰爭。

然而,創世論陣營只是偃旗息鼓。他們很快地改變策略。說我迷信?我就改用科學名詞取代聖經中的用語,將宗教信仰包裝成「科學創世論」,並找來高學歷理工背景的菁英背書鼓吹。而既然我的也是另一套科學解釋,就有資格列入教科書中與演化論並列。

1981 年,阿肯色州與路易斯安那州先後通過「應平衡對待創世科學與演化科學」的「平衡法案」,賦予創世科學納入教科書的法源。當年在「猴子審判」一案中與之對抗的美國公民自由聯盟(American Civil Liberties Union, 簡稱 ACLU)再度挺身而出,向位於小石城的聯邦地區法院控告阿肯色州的平衡法案違反憲法第一修正案中,國家與宗教分離的原則。1982 年 2 月,法官認定創世科學是宗教,並非科學,判定阿肯色州的平衡法案違憲,無效。科學家視之為重大勝利,但欣喜之情卻很快被澆熄。

因為路易斯安那州的參議員率先向法院上訴,要求州政府立即修訂教材,ACLU 只好先以此舉侵犯教育董事會的權力為由向聯邦地區法院提出上訴,並獲得勝訴。但創世論陣營卻反將一軍,控告聯邦政府干涉地方事務,結果州最高法院於 1983 年推翻了 ACLU 勝訴的判決。於是 ACLU 改以違反憲法第一修正案為由再提上訴,而於 1985 年獲得勝訴。但不服的創世論陣營再上訴到第五巡迴法庭,雖然遭到駁回,卻是八票對七票的些微差距。

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創世論陣營士氣大振,繼續上訴到聯邦最高法院,聯邦最高法院也決定受理。眼見態勢險峻,1986 年的今天,美國 72 位諾貝爾獎得主史無前例地與 17 個州立科學院以及 7 個科學機構聯名簽署,向最高法院遞交請願書。1987 年 6 月 19 日,聯邦最高法院以七票對二票,宣判路易斯安那州的平衡法案違憲。創世論的反撲再度被擊退。

不過別以為科學家們從此就可以高枕無憂。1987 年以後,創世論改以「智能設計」的面貌繼續挑戰演化論。2001 年開始,創世論陣營以退為進,改以學術自由的名義,要求立法保障教師可以鼓勵學生質疑演化論、生命起源、地球暖化等他們認為仍有爭議的理論,必要時可以使用補充教材。路易斯安那州已於 2008 年率先通過這樣的法案。看來這將是一場艱苦而漫長的戰役了。

(圖為《創造亞當》, 是米開朗基羅創作的西斯廷禮拜堂天頂畫《創世紀》的一部分。)

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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猴子審判 │ 科學史上的今天:5/25
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・2015/05/25 ・1103字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

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一九二○年代的美國,藉助第一次世界大戰帶動的工業生產,經濟與科技於戰後快速成長,新的精神與文化也有如蠢蠢欲動的岩漿開始衝破舊有規範。人們隨著自由即興的爵士樂搖擺、不顧禁酒令的規定暢飲私酒、抽象藝術大興其道,就連禁錮已久的女性參政權也終於獲得憲法保障。

然而在這樣自由開放的社會氛圍下,仍有一道思想防線在美國南方各州悄悄築起。1925 年 3 月 21 日,田納西州州長正式簽署「巴特勒法案(Butler Act)」,明令禁止老師在學校講授違背聖經中上帝造人的任何理論,尤其是主張人由原始生物演化而來的說法。

美國公民自由聯盟(American Civil Liberties Union, 簡稱 ACLU)極為憤慨,公開聲明將義務幫助每一位因講授演化論而被起訴的教師。沒有人預料到第一個案件很快就發生在一個人口只有一千八百人的小鎮達頓(Dayton)。

一位 24 歲的高中生物代課老師斯寇普斯(John Scopes)在鎮上幾位自由派人士的鼓吹之下,故意以身試法,承認於 4 月 24 日在課堂上講授演化論,並且特意要學生作證的確有聽到他提及猿猴祖先之事。結果如他所願,5 月 25 日這一天,他因違反田納西州法律而遭到檢方起訴;這件轟動全美國、別稱「猴子審判」(Monkey Trial)的「斯寇普斯案」正式成立。

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在七天的唇槍舌劍之中,丹諾等人原本找來八位演化學專家,試圖說明演化論與聖經並不衝突,但法官只允許一位出庭作證。他們轉而主張聖經僅應適用於道德與神學層面,不應插手科學領域;甚至出險招讓對手布萊恩坐上證人席,藉由他回答詰問時,按字面意義解釋《創世紀篇》所呈現的荒謬結果,來證明巴特勒法案有多不合理。但法官主動提醒陪審團不應考慮法律的合理性,重點在於有無觸法。眼見法官明顯偏頗,於是丹諾最後一天乾脆放棄結辯,任由陪審團於 7 月 21 日宣判斯寇普斯有罪,應罰款一百美元。

對 ACLU 與斯寇普斯等人而言,他們原本就不在意贏得官司,而是意在推翻惡法。於是他們向最高法院提起上訴,主張巴特勒法案違憲,但還是敗訴了。然而就影響層面而言,他們並未失敗。因為審判過程經由全國性的廣播而引發社會大眾的省思與討論,原本已進入立法程序的十五個州中,最後只有兩個州通過巴特勒法案。1967 年,田納西州終於廢除此法案;第二年,美國聯邦最高法院裁定所有類似的反演化論的立法違憲,科學教育才終於獲得保障。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。