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想在科學領域發光發熱?鍾邦柱:不畫地自限、別投機取巧——《她們,好厲害》

PanSci_96
・2019/12/25 ・6606字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

  • 文/陳建豪

科學界的男女比例,向來有些失衡。前教育部長蔣偉寧在 2012 年出席「台灣傑出女科學家獎」表揚典禮並擔任頒獎人時,曾提及女性在生命科學領域中,比例僅約三成,而工程研究人數則更少,連兩成都不到。

蔣偉寧進一步指出,目前在台灣就讀大學的男女性比例,已經完美地達到一比一,因此他也期許,透過鼓勵與宣傳,可以讓更多女性投身科學研究領域,這對科學發展與女性都將是雙贏。

但蔣偉寧可能不知道的是,當時,從他手中接下「傑出女科學家」大獎的得獎人,多年來已經默默用一種方式,讓她所任職的中央研究院分子生物研究所,其男女科學家比例,早已經「異常」而完美地達到約一比一的狀態。

如何達到男女一比一?全靠傑出前輩弭平偏見

中研院分生所為什麼能有這麼多女性科學家齊聚?答案其實很簡單,但也很難做到。

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「坦白說,科學界多多少少有著歧視女性的偏見;然而,我們分生所在 1986 年創所時,卻有幾位女性表現得相當傑出!她們用行動讓我們清楚知道,女性一點都不會比男生差!」在分生所工作將近二十年,目前為分生所特聘研究員的簡正鼎認為,就是有這關鍵幾位創所前輩的傑出表現,讓所內漸漸形成一股信念,再沒有人會質疑女性在科學上的工作能力。

「因為她們,我們打心底相信男女一樣好,所以不會刻意挑選男性或女性的研究員,只問有沒有能力。久了之後,這男女比例,自然而然,就會達到一比一,」簡正鼎認為,標竿人物的出現,的確會起許多帶頭、潛移默化的作用。

2012 年的「台灣傑出女科學家獎」得主,也正是簡正鼎所推崇的分生所前輩。她,就是在中研院耕耘將近三十個年頭,並以類固醇荷爾蒙研究享譽國際學術界的鍾邦柱。

鍾邦柱以類固醇荷爾蒙研究享譽國際學術界。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

改用斑馬魚,開啟類固醇研究新方向

在類固醇荷爾蒙領域,鍾邦柱早已耕耘多年,有多項發現。而在 2006 年,鍾邦柱一篇發表在國際知名期刊《自然》(Nature) 上的研究報告,更是大大顛覆了過去科學家對類固醇荷爾蒙的認識,並打開了全新的研究方向。

以往,科學家對類固醇荷爾蒙的認識,多半在於類固醇會調節人體體內的糖分與鹽分,並且顯著影響人類的性特徵;而人類在青春期所大量分泌的類固醇荷爾蒙,會帶來什麼樣的影響,更是以往多數學者的研究重點。

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然而,鍾邦柱卻另闢蹊徑,發覺人體會分泌類固醇荷爾蒙的高峰期,除了青春期之外,更發生在胚胎發育時期。鍾邦柱於是好奇,在胚胎時期所分泌的大量類固醇荷爾蒙,有什麼作用?

鍾邦柱曾研究類固醇荷爾蒙對於胚胎發育的影響。圖/研究圖片

過往,做實驗都是觀察白老鼠,但小老鼠在胚胎發育時期,並不容易觀察,於是,鍾邦柱改用了一種大小約三公分的熱帶魚──斑馬魚做實驗,甚至以螢光技術,讓斑馬魚的細胞產生螢光,更有助於細胞變化時的觀察,這才終於得到全新斬獲。

研究發現,當一個小小的魚卵,要往左右生長、體軸要轉化為細長的魚體時,類固醇荷爾蒙中的孕烯醇酮 (Pregnenolone) 扮演了極為重要的角色。

原來,類固醇荷爾蒙的作用,能讓魚體內的細胞得以移動、幫助細胞骨架重整,最終幫助魚卵從一個小圓球變成細長的魚體。「這個發現,讓我們更了解胚胎的發育、如何保護神經細胞,甚至是癌細胞怎麼移動的祕密。」談起研究發現,鍾邦柱難掩喜悅,她進一步透露,有不少新藥正在這項研究的基礎上開發,未來可望造福更多人。

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「神經類固醇的研究,在未來甚至有可能對抗阿茲海默症,幫助老人家留住記憶,或者是脊椎神經的修復,」鍾邦柱分享著未來的遠景。鍾邦柱在類固醇荷爾蒙的研究上,早已獲得國際肯定,她是如何辦到的?有什麼祕訣?鍾邦柱感性地表示,她第一個要感謝的人,其實是她的父親。

男女平等的名字,深藏父親的期許

出生於 1952 年、還處於重男輕女的年代,鍾邦柱的父親幫她取的名字,其實頗有含意。「按照家族族譜,我們剛好輪到『柱』字輩,而在我出生的年代,幾乎只有男生能繼承家族傳統,但我的父親硬是給了我『柱』字,」鍾邦柱說,父親從命名上就告訴著她,男女平等。在當年的環境下,這個深具意義的名字,其實是一輩子的祝福與期許。

除了男女平等之外,鍾邦柱的父親,更重視教育、以身作則。「現在想起來還滿好玩的,我們早上起來,就會在門口大聲朗讀《國語日報》,很熱鬧,也讓我們覺得,唸書其實是一件有趣的事情,」鍾邦柱補充說:「我們放學回來,父親就看著自己的書,我們則在一旁靜靜地做著功課、看書 ,這是一段極好的童年教育。」沒有強迫唸書,只有陪伴,這樣的過程,讓鍾邦柱從一個台南麻豆鎮的鄉下小孩,一舉考上了競爭最激烈的台北北一女中。

鍾邦柱的父親常以身作則,讓孩子覺得讀書是有趣的事。圖/ By kleinfreund @flickr

「那是我第一次到台北。我還記得是清晨時分就去坐火車,一路搖晃著,到台北已經是下午了。坦白說,我第一次到台北,真的就是鄉下人進城、類似劉姥姥進大觀園,不論看到什麼都很驚訝,」率直的鍾邦柱不吝分享自己的青澀。

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遠赴台北參加考試,父女對於考試成績的預料,卻很兩極。「我父親第一句就問我:『怎麼樣,進北一女了吧?』他對我很有信心,但我那時心想,怎麼可能啊!我跟台北學生好像是兩個世界的人耶!」

放榜後,鍾邦柱以高分錄取。也是在那時,鍾邦柱發現,自己雖然是鄉下小孩,但是父親對他們的教育栽培、身教,絕不輸給世界上任何一個地方的家長。

進入北一女之後,學業對鍾邦柱來說,始終不是大問題;較大的問題是,自己應該選擇攻讀理組或文組?對兩個領域都有興趣的鍾邦柱,最後因為喜歡陳之藩的文筆與作品,便以陳之藩為典範。她相信,如陳之藩一樣選讀科學的人,只要不放棄提筆,也絕對能夠寫出極佳的文學著作;只要持續閱讀,也能享受文學的美好。於是,她決定投考理組。

三年後,沒有多大意外,鍾邦柱考取自己心目中的第一志願:台大化學系。

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追在教授後面跑,四年完成博士學位

化學系大致可分為物理化學和生物化學。「我原本有考慮要走物理化學,但一來我數學能力有限,二來物理化學幾乎沒有女生,我在物化的實驗室連要找一間女廁都有些麻煩,」種種原因,讓鍾邦柱選擇攻讀生物化學。

在當年「來來來,來台大;去去去,去美國」的學術氣氛中,鍾邦柱大學畢業後,也申請上美國賓夕法尼亞大學 (University of Pennsylvania) 化學研究所生物化學組。

「人生很難預料,我在化學所選讀一些分子生物的課程,就深深著迷。於是,在美國的第二年,我乾脆轉學到醫學院的生化所,攻讀起生化博士學位,」鍾邦柱回想,轉系所當然有風險、也需要加倍努力補回欠缺的基礎,但是對於自己喜愛的學科,那種熱情掩蓋不住,更毋須隱藏。

鍾邦柱的博士班,只花了短短四年餘就攻讀完成。除了熱情加上毅力之外,也更是為了愛情。回憶往事,鍾邦柱透露,原來當時她在大學時認識的男朋友,也就是現在的先生、台科大教授陳南鳴,雖然兩人雙雙赴美求學,但卻是在不同學校、不同州,相距遙遙數百公里、十四個小時的車程。

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「為了盡快把論文完成,我有時就等在指導教授辦公室門口,希望能多一點時間跟他討論;後來我的教授開玩笑跟我說,那時他見了我都想躲起來,」進度追著指導教授跑,鍾邦柱四年後成功拿到博士學位,感情也順利開花結果。

鍾邦柱攻讀博士十分認真,讓教授都忍不住開玩笑,說見了她都想躲起來。圖/giphy

有喜悅、有付出,充滿未知的成家之路

婚後,鍾邦柱很快就有了小孩,為了小孩與先生,她有喜悅,也有付出。

鍾邦柱博士班畢業後,由於先生陳南鳴仍在美國中西部的普渡大學 (Purdue University) 攻讀學位,於是鍾邦柱先去普渡大學申請博士後研究,而後隨著陳南鳴畢業後於舊金山找到工作,兩人又舉家遷移,前往美國西岸展開新生活。

「其實,她是有點被我限制了。如果她不必硬要配合我,必須到普渡大學或舊金山找工作,我相信以她的能力,絕對有更好的發展,」對於妻子的支持,陳南鳴既是感謝,又有些許不捨。而身為一個女人,有時候,在科學研究上也有必須被迫放手的時候。「她在普渡大學工作的時候已經懷孕了,所以很多跟輻射有關的實驗不能做,間接也暫時影響她的表現,」陳南鳴觀察,雖然妻子在工作上多少受到影響,但懷孕帶給她的喜悅,仍讓她願意暫時放下工作,無怨無悔。

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懷孕之後,有許多跟輻射有關的實驗不能做,因而間接影響工作表現。圖/pixabay

到舊金山後,一來由於懷孕期間的研究成績較為低潮,二來人生地不熟,鍾邦柱竟有超過半年的時間找不到合適的工作,這也讓她有些許不安。「雖然因為懷孕,稍微耽擱研究工作,現在回想起來,這一切還是值得的;研究可以追回來,但家庭跟子女,有時候錯過了,未必還有機會,」鍾邦柱、陳南鳴夫婦有著同樣的想法。

果然,人生處處是轉機。來到舊金山將近九個月後,仍繼續投遞履歷的鍾邦柱,最後如願以償,進入了當年紅極一時的加州大學舊金山分校醫學中心。

「我是 1982 年進入加大醫學中心的,那時候他們剛剛發表荷爾蒙、胰島素遺傳工程這兩大研究,震驚全球,也獲得了極大的商業價值,整個中心處於最顛峰的狀態,」鍾邦柱笑著說,那時候進去實驗室做研究,會發現在一週七天裡,每個人平均工作天數大概是六天半,只短暫休息半天,然後又會出現在實驗室,就是因為每個人都想拚命,再繼續找出關於荷爾蒙、胰島素的更多奧祕,要搶先做出好成績。

然而,特別的是,在這麼一個高度競爭的環境,鍾邦柱卻發覺,每一個研究員,包含上司,卻一點都不藏私,而是樂於分享與指導。

「說實話,我一進去,我的上司教我好多東西、分享很多成果;我那時候還很擔心,怎麼會這樣?對方怎麼可能毫無保留地教我?我一定欠下很大人情,將來不知道要怎麼還,」鍾邦柱笑著說,後來她才發現,原來在這座頂尖的實驗室中,分享跟討論,就是他們成功的祕訣。

熬得住一事無成,才可能一鳴驚人

然而,研究這條路,其實是漫長而孤寂的。當鍾邦柱進入研究室之後,研究室卻面臨卡關狀態,甚至有長達三年的時間,基本上是處於原地打轉的窘況。更讓人沮喪的是,一向處於領先的他們,甚至還被意外超前。原來,加大研究室三年來專攻「基因選殖」領域,不但沒有成果,某日鍾邦柱上司的過往學生來訪,實驗室對這位後輩一樣保持開放的態度,分享了他們的研究現況以及目前面臨的難題。

沒想到,這名後輩回到紐約之後,靠著在加大實驗室得到的資訊,以及自己的神來一筆,竟然率先解開難題,並且發表在學術期刊上。「那時候,大家全都傻眼了!我們努力這麼久,居然被一個晚輩超前,而且還是我們主動提供他很多線索的,」鍾邦柱苦笑著說,當時氣氛真的很尷尬,很多人都很嘔,好像這三年的時光都白費了。

然而,過去三年的時光,從來不是真的浪費。鍾邦柱的上司鼓勵大家,既然他們的晚輩已經幫大家解開卡關的難題,現在該是時候繼續往下做研究,甚至是大舉推進了。

果不其然,在接下來的一年中,光是鍾邦柱自己就多有斬獲,陸續發表四篇論文,而整個實驗室更發表了十餘篇論文。

鍾邦柱總結,這個事件,教會她兩件事:「一個是,科學研究本來就是互有領先,要能彼此分享彼此的發現,一棒接一棒,才能推動科學。」鍾邦柱認為,當年她的上司分享給其他科學家,雖然讓他們實驗室一度落後,但也因為如此,別的科學家有了新的發現,又才能讓他們後來居上,走出新的天地。

「另一個重點是,我發現,若沒有熬過乍看是數年的一事無成,其實很難一鳴驚人,」鍾邦柱認為,特別在這個什麼都求快的年代,科學家們要忍受的孤寂感,其實是一大挑戰,但沒有默默地耕耘,要成功其實很難。

「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第五屆得主,中央研究院分子生物研究所特聘研究員 鍾邦柱。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

海外練功、秉持專業,讓性別不是問題

在海外做出好成績,又適逢中研院招募海外傑出人才,鍾邦柱與先生商議後,毅然決定於 1986 年返台服務。「其實,我們更早就有一度想回台灣服務,但那時跟前台大校長閻振興碰面,他說我們這些小毛頭不要急著回台灣,畢業後在美國練練功,把更多好東西帶回來,那妳造的福會更大,」雖然閻振興已然辭世,但鍾邦柱至今記得這段對話。

回到台灣後,鍾邦柱帶回在美國的荷爾蒙研究,並且與台大醫院合作,後續的研究成果,果真造福許多家庭。鍾邦柱的研究發現,人類的先天性荷爾蒙不平衡,來自於 CYP21 的基因突變,會造成嬰兒在出生之後,性器官即有問題,有時甚至會錯把女嬰錯判為男嬰。於是,鍾邦柱與台大醫院攜手,不但能在產檢時就發覺病症,更能以調控荷爾蒙的技術,讓胎兒在母親子宮中就得以治癒。

除了學術上的貢獻,鍾邦柱於 2005 年擔任國家科學委員會的首任生物科女處長,也為台灣女科學家樹立新典範。然而,在這個職位上,鍾邦柱看到了女性的辛苦。

面對女科學家在職場遇到的困境,鍾邦柱始終是身體力行,用行動讓大家知道,女性一點都不差。圖/pixabay

身為國科會處長,鍾邦柱曾經接待來自海外的國家級科學院參訪團,訪客共有六位,但只有一位女性;訪客為首的男性院長,一看到鍾邦柱是女性,就立刻介紹團中的女科學家與鍾邦柱認識,男院長並一邊感嘆,「女性在科學界要工作,真的很不容易!」沒想到鍾邦柱還來不及接話,這個男性院長卻又說:「像我的實驗室,絕對不收女生,她們要養兒養女的,太麻煩了。」

面對這樣的男女不平等,鍾邦柱始終是身體力行,用行動讓大家知道,女性一點都不差。

曾經是鍾邦柱的學生、現為鍾邦柱助理的蔡惠滿,與鍾邦柱相識十餘年,她就近距離觀察到,鍾邦柱敬業、專業的態度。「有一次鍾老師動了一個手術,手術後人不是很舒服,但我們去看她時,才赫然發現,她仍在批改學生的研究作業,」蔡惠滿指出,鍾邦柱對研究的熱情,不論性別,都絲毫不輸給任何人。

想成功別「太聰明」!腳踏實地更重要

不過,鍾邦柱也發現,隨著時代的進步,男女平等的確是愈來愈明顯。「對於未來的科學家,我漸漸不擔心性別問題,比較擔心的是,學生們會不會『太聰明』。」

鍾邦柱舉例,有一次她在實驗室中,看到一位負責打掃的阿姨,她在商職畢業後,很年輕就步入家庭,小孩長大後才出來找工作,年紀約三十歲上下,輾轉來到實驗室做清潔工作。

這位阿姨工作非常認真,做事仔細,讓鍾邦柱特別注意到,也因此開口問她,願不願意幫忙做一些簡單的實驗?

「我教她十個步驟,她就會認真從一做到十;而我教學生做十個步驟,有的學生會投機取巧,第一次跳過第三個步驟、第二次省略更多步驟,最後實驗結果做不出來,到底是漏了什麼,他們也忘了,」鍾邦柱感嘆,似乎愈聰明的學生愈容易發生這種事情,而當年這位願意認真學習的阿姨,如今已經是她研究室裡的重要助理。

鍾邦柱提醒所有晚輩,性別的枷鎖將會漸漸淡去,女性千萬不要畫地自限。而不論男女,在科學領域,要能發光發熱,更是要腳踏實地、扎實練功,最終一定會一鳴驚人。

「科學研究,沒有冤枉路,只有堅持才是捷徑,你不放棄就自然會有出路,」鍾邦柱分享自己的人生心得。

台灣傑出女科學家獎設立於2008年,是台灣第一個專為表彰傑出女科學家、並鼓勵女性參與科學而成立的獎項,由台灣萊雅及吳健雄學術基金會共同主辦。


 

 

本文摘自《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界》,2013 年 12 月,遠見出版。

 

 

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

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誠實面對人類參與的「自然」——太田欽也專訪
顯微觀點_96
・2024/07/11 ・3235字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一,其基因、型態與發育深受了解,並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出,演化生物學該持續隨環境演進,並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世(Anthropocene)環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚,就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出,斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察,相對於受精一年後才成熟的金魚,斑馬魚有成熟較快,基因組較為單純等優點,也具備許多現成基因研究工具。

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但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別,對型態差異的演化並未那麼明顯。因為,科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚,使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

金魚型態演化圖。Courtesy of Kinya Ota and Gembu Abe

而金魚的型態變異,則完全來自飼養者對型態的偏好和育種,蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複(Gene Duplication)機遇,使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整,則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例,「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚,但是經過我們自己的創意,也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說,現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗,擴大時間維度來看,千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程,可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索,從胚胎階段的差異進行選擇,是否可能改變生物的型態。

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太田欽也提到,人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上,例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易,需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎,在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎,就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力,金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄,而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

現代顯微攝影技術搭配容易觀察的金魚胚胎,讓太田欽也可以拍攝清晰影片,在網路上生動地分享發育生物學知識。攝影:楊雅棠

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊,太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色,甚至是宜蘭的風光,透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離,是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片,後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材!」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學,在隔離的單人房中逐漸進步。

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太田欽也說,拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋,「科學的頻道不管累積再多追蹤者,例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展,我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法,他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等,在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

太田欽也為臨海研究站拍攝的簡介影片,基本款空拍機呈現了頭城的舒暢美景。

在早已開始的人類世 何謂自然?

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文,但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑,他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生,人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例,從宋朝開始的愛好者,透過育種極力凸顯特殊形態,從沒有背鰭的「蛋種」,到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

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太田欽也強調,「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具,以他們的追求珍奇的育種態度,一定會用 CRISPR 編輯金魚基因,製造出更奇特的變異型態。」

他說,這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對,「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」,但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時,也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問,「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態,更適應野外環境,這樣算是自然或不自然呢?」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出,金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念,不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思,人類也身在其中的「自然」的標準是什麼?而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調,「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象,不會幫助人們了解生物學。」

他認為,宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同;甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子,他所提倡的自然,與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

背鰭退化、尾鰭倍增的蛋種雙尾金魚,是古代貴族最青眼有加的奇特型態之一。作者:清 馬文麟 來源:國立故宮博物院

太田欽也建言,科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範,都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

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來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說,長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位,也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』,在人們對我說『這裡很自然!』的時候。」太田欽也無奈地笑說,「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地,反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑(Paul Crutzen)指出,現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論,從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定,視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

查看原始文章

  1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
  2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
  3. 太田欽也實驗室
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左看右看 貓頭鷹、寶石竟是斑馬魚
顯微觀點_96
・2024/03/28 ・1870字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

乍看以為是寶石結晶的斑馬魚肌纖維、如竹林屏風般的斑馬魚尾鰭,到似貓頭鷹的斑馬魚鏡像圖以及充滿生命力大樹般的斑馬魚神經樹突,每一幅影像都以斑馬魚為題,卻拍出不同的趣味。

本次 Taiwan 顯微攝影競賽八名優選獎中,就有四位得獎者是中研院細胞與個體生物學研究所陳振輝老師的學生。這些拍出技術與美感兼具作品的研究者,分別為 Uday Kumar、Marco De Leon、陳樂融和劉昱秀。

其中, 來自印度的 Uday Kumar 參加第一屆顯微攝影競賽至今,年年獲獎,更榮獲首屆金獎。而他的同儕,來自菲律賓的 Marco De Leon 也因受到他的啟發參賽,於今年獲得優選。

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陳振輝老師實驗室主要以斑馬魚為樣本進行再生研究。他的學生們各自探索斑馬魚的不同組織或器官;有人專精於研究心臟、有人專門研究神經,有人則專門研究肌肉纖維。

Gems And Maturity Marco Pomida De Leon
Gems And Maturity Marco Pomida De Leon
生命之樹 劉昱秀

Uday Kumar 表示,由於每個人研究的方向不同,因此必須從基因工程到成長過程,各自「顧好」自己的斑馬魚。

這些攸關研究進度與實驗設計的斑馬魚,養殖在細生所地下室的魚房。數十個排列整齊畫一的魚缸,裡頭有著各式大小、不同生長階段和品系的斑馬魚。

為了能夠取卵進行基因轉殖,從養殖器皿到時間都必須加以控制。Uday Kumar 表示,除了一般魚缸外,養殖斑馬魚會再裝置一個多孔的產卵盒。晚上將公魚和母魚用隔板隔開,並保持環境黑暗,避免交配產卵。

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等到隔天上午將隔板拿掉,讓公魚、母魚相會,並利用光周期誘發產卵、受精後,必須將特製的產卵盒斜置,好讓受精卵下沉到魚缸底部。如此一來,也可避免斑馬魚將受精卵吃掉。

陳振輝老師實驗室專注於「多顏色細胞標誌技術」(Brainbow/Skinbow)。利用基因重組的方式,將紅、藍、綠三種不同色的螢光蛋白在個別細胞裡表現不同數量,依不同比例產生更多顏色來標誌不同細胞。

Uday Kumar 表示,要將目標基因注入細胞內,需要使用顯微注射技術,在立體顯微鏡下將注射管準確地插入受精卵中。

不過這對他來說,顯微注射已經是一件熟練到「像騎腳踏車」般簡單的事,一天注射超過 500 顆受精卵都沒問題。

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雖然基因轉殖對這些研究者來說已是熟能生巧的事,但要建立新的基因轉殖魚仍然要花上漫長的時間,通常需要 6 個月到一年,品系才會逐漸穩定。以 Uday Kumar 於 2021 年獲得金獎的作品來說,就是花了兩年才培育出能以正確比例呈現美麗色彩的斑馬魚。

顯微攝影的每一幅作品除了呈現出精彩美麗的影像外,背後更蘊含著每一位研究者精湛的技術以及長久累積的研究心血。

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細生所地下室的魚房,有著各式大小、不同生長階段和品系的斑馬魚。攝影/楊雅棠
Uday Kumar使用立體顯微鏡。攝影/楊雅棠

斑馬魚小教室

斑馬魚(Danio rerio)是常見的模式生物之一,原分布於孟加拉、印度、巴基斯坦、緬甸、尼泊爾等南亞淡水流域。其體長約 3 至 4 公分,雄魚體修長且背部呈淺橄欖黃色,雌魚體渾圓腹部較彭大;適合生長溫度為 23 至 28℃。

斑馬魚胚胎透明、發育期間短,容易觀察;且屬於脊椎動物,與人類有相似器官如心血管、神經等,加上基因組序列已解開,基因轉殖容易,種種優點使得牠成為非常適合作為遺傳研究及藥物篩選的脊椎動物模式。

查看原始文章

  1. 顯微鏡下一抹彩虹,陳振輝,《中央研究院週報》第 1610 期
  2. 臺灣斑馬魚中心——中研院分支介紹,黃聲蘋,《中央研究院週報》第 1360 期
  3. 心臟、尾鰭與脊椎,那些以斑馬魚進行的「再生」研究
  4. 「從動物身上問對問題,就可以找到答案!」陳振輝談斑馬魚的超強再生力
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