乾眼症不只會乾眼，也可能眼睛酸痛又「流目油」

• 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。

• 作者／照護線上編輯部
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劉育志醫師：大家好，我是劉育志醫師，歡迎張芯瑜醫師來到照護線上。

張芯瑜醫師：大家好，我是張芯瑜醫師。

劉育志醫師：請問乾眼症的症狀有哪些？

張芯瑜醫師：乾眼症常見的症狀，包含眼睛酸澀、疼痛、紅腫，甚至是視力模糊，有些比較嚴重的病患，甚至會產生眼壓飆高的脹痛感，還有非常偏頭痛的感覺，非常嚴重的乾眼症病患，如果合併角膜病變時，眨眼時會有強烈的刺痛感。

劉育志醫師：請問乾眼症的成因為何？

張芯瑜醫師：乾眼症的成因，我們要先了解淚水的組成，淚水又稱為淚膜，淚膜從外而內總共分三層，第一層是最外層的油脂層，中間是水層，最內側則是黏液層，乾眼症可以依照這三種方式去分類，第一種是缺水型的乾眼症，第二種是蒸發型乾眼症，也就是缺油型的乾眼症，第三種是潤澤下降型的乾眼症，如果合併兩種以上的情形，又可以稱之為混合型的乾眼症。

劉育志醫師：請問乾眼症的危險因子有哪些？

張芯瑜醫師：乾眼症的危險因子包含了年紀，通常 50 歲以上的年齡，是乾眼症好發的年紀，又尤其是婦女如果在更年期的時候，乾眼症的症狀會加劇，因為荷爾蒙的變化，再者，如果您有在服用藥物，譬如抗憂鬱症的藥物、抗血壓的藥物，或者是吃避孕藥，以及抗組織胺的藥品，都有可能會讓淚液分泌下降，有一些病人是有自體免疫方面的疾病，包含了紅斑性狼瘡、類風濕性關節炎，或者是乾燥症的患者，就有可能會產生淚腺萎縮的情形。

張芯瑜醫師：在接受白內障手術，或者是近視雷射手術之後的患者，會有術後恢復期，這段時間也會感覺到乾眼症的情況，眼瞼有感染，或者是蠕形蟎蟲造成眼瞼發炎，也會造成瞼板腺的異常，平常如果在乾燥的環境，有室內空調，長時間處於偏乾的情況，眼睛也會造成乾澀不適，長時間使用 3C 產品，會造成眨眼次數的下降，通常會降低到，每分鐘只剩下 5 下到 7 下的眨眼，這時候就會使水分蒸散的速度非常快，造成眼睛乾的情況。

劉育志醫師：懷疑乾眼症時，需要做哪些檢查？

張芯瑜醫師：如果您自覺有乾眼症的症狀時，我們可以利用 OSDI，這個國際評估乾眼症的量表，來自我檢測看看是否有乾眼的症狀，這裡面有 12 道問題，包含了眼睛是否平常覺得酸澀、疼痛，非常不舒服，或者是看東西視力模糊，影響到你的生活、工作、閱讀，甚至是開車，有些人甚至會影響到使用 3C 產品，或是提款機的使用，這些都是 OSDI 量表裡面的項目，當您覺得這個量表分數已經高到，確認為乾眼症的狀況時，就會建議到眼科診所做檢查，我們會用儀器來區分，真正乾眼症是什麼原因，會利用淚膜的破裂時間，淚水分泌的量，以及高階的眼瞼板腺檢查，來區分真正乾眼症的狀況。

劉育志醫師：請問乾眼症該如何治療？

張芯瑜醫師：就目前台灣現行的醫療架構體系下，我想要將乾眼症的治療，分成兩個層面來介紹，第一個是健保的項目，第二種是自費項目，健保的部分，眼科醫生可以開立人工淚液，人工凝膠以及人工淚膜，如果您的眼睛非常乾澀，有申請健保通過給付，也可以使用免疫抑制的藥劑，自費的項目有非常多選擇，包含了熱敷眼罩、眼瞼清潔液，沒有防腐劑的人工淚液、淚管栓塞，或者是治療型的隱形眼鏡，比較高階的項目，包含了高濃度的自體血清，或者是血小板血漿，也就是俗稱的 PRP，或者是用脈衝光的方式，合併眼瞼板的擠壓手術，來幫助恢復眼瞼板的狀態，這些都可以作為眼睛治療的項目。

張芯瑜醫師：有一位 55 歲的男性，到高緯度國家出差的時候，半夜睡覺突然覺得眼睛一陣陣脹痛、刺痛，造成流淚不止，沒有辦法張開眼睛，回國檢查的時候，發現角膜大片的破皮，眼淚水的分泌量非常少，是符合嚴重乾眼症的症狀，在治療過程中，點一般人工淚液是沒有效果，修復非常慢，他又經歷過視網膜，以及白內障的手術，所以在乾眼症的治療過程中，是非常的辛苦，後來在我的門診，慢慢幫他治療之下，我們使用了非常多種的方法，包含了沒有防腐劑的人工淚液，以及淚管栓塞這些方式，他的角膜情況就像一朵脆弱的小花，慢慢養，慢慢養，漸漸變成越來越好的情況，現在也不需要一整天帶著藥水來點藥，是非常有成就感的一位病人。

劉育志醫師：感謝張醫師來到照護線上，我們下次再見，掰掰。

張芯瑜醫師：掰掰。

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「唉呦！眼睛好痛！」55 歲的李先生到高緯度的國家出差，半夜睡覺時，眼睛突然一陣刺痛，而淚流不止，完全沒有辦法張開眼睛。

回國檢查後，發現角膜有大片破皮，淚水的分泌量非常少，屬於嚴重乾眼症。遠見眼科 101 旗艦店張芯瑜醫師指出，在治療過程中，點一般人工淚液沒有明顯效果，角膜修復速度非常慢。因為又經歷過視網膜與白內障手術，所以在乾眼症的治療過程中非常辛苦。

「我們在門診使用了很多種方法替他治療，包含沒有防腐劑的人工淚液、淚管栓塞等，他的角膜就像一朵脆弱的小花，慢慢養，也漸漸進步。」張芯瑜醫師說，「現在他的角膜已經完全復原，不需要一整天都帶著眼藥水點藥。讓患者很開心，醫師也非常有成就感。」

乾眼症是相當普遍的問題，常見的症狀包括眼睛痠澀、疼痛、發紅、搔癢、怕風、畏光、有異物感、容易疲倦，甚至視力模糊。有些比較嚴重的病患，會產生眼壓飆高的脹痛感，或偏頭痛的感覺。張芯瑜醫師說，非常嚴重的乾眼症病患，可能合併角膜病變，而在眨眼時會有強烈的刺痛感，相當不舒服，也對生活與工作造成嚴重干擾。

乾眼症的危險因子有很多，50 歲以上民眾是乾眼症好發的族群，尤其是在更年期的女性，乾眼症的症狀會因為荷爾蒙變化而加劇。張芯瑜醫師說，某些藥物與乾眼症有關，例如抗憂鬱劑、血壓藥、避孕藥、抗組織胺等，可能會讓淚液分泌下降。罹患有自體免疫疾病的患者，例如紅斑性狼瘡、類風濕性關節炎、乾燥症等，可能會產生淚腺萎縮的情形，導致乾眼症。

眼瞼有感染，或是蠕型蟎蟲造成眼瞼發炎，也會造成瞼板腺異常。張芯瑜醫師說，如果接受白內障手術、近視雷射手術、老花雷射手術，在術後恢復期也較容易感覺到乾眼症的狀況。

長時間處在偏乾的環境，眼睛亦會乾澀不適。張芯瑜醫師說，長時間使用 3C 產品，會造成眨眼次數下降，可能降低到每分鐘只剩 5 下至 7 下，水分蒸散的速度相當快，而造成眼睛乾澀的情況。

先確定乾眼症分類，才能選擇正確治療

如果經常感到眼睛乾澀、疲勞等乾眼症狀時，可以利用國際評估乾眼症的 OSDI 量表來自我檢測。張芯瑜醫師說，OSDI 量表裡有 12 道問題，包含眼睛是否對光敏感、有異物感、疼痛不適、視力模糊，是否影響生活、閱讀、駕駛、使用 3C 用品等。

出現乾眼症的狀況或 OSDI 量表的分數偏高時，請不要任意使用眼藥水，建議到眼科診所做檢查。張芯瑜醫師說，首先一定要確定乾眼症分類，眼睛表面的淚水又稱為淚膜，淚膜從外而內大致可分為三層，最外側是油脂層，中間是水液層，最內側是黏液層。

臨床上可將乾眼症分類，第一種是「缺水型乾眼症」；第二種是「蒸發型乾眼症」，也就是缺油型乾眼症；第三種是「潤澤下降型乾眼症」；如果合併兩種以上的情形，稱為「混合型乾眼症」。

醫師會利用儀器檢測，包括淚膜的破裂時間、淚水分泌的量、以及高階眼瞼板線的檢查，來判斷乾眼症的成因與乾眼症的嚴重程度。

「確定乾眼症的分類後，才能夠對症下藥，選擇合適的治療方式。」張芯瑜醫師說，在台灣現行的醫療架構下，乾眼症的治療可分成兩個層面，第一個是健保項目，第二個是自費項目。健保項目包括人工淚液、人工凝膠、人工淚膏等，若符合條件，可以使用免疫抑制的眼藥水。

自費項目有非常多選擇，包含熱敷眼罩、眼瞼清潔液、不含防腐劑的人工淚液、淚管栓塞、治療型隱形眼鏡等。張芯瑜醫師說，比較高階的項目，包含自體高濃度血小板血漿 PRP、脈衝光療法併瞼板腺疏通術等。醫師會依照乾眼症的分類與嚴重度，挑選合適的治療方式。

貼心小提醒

乾眼症相當普遍，約佔成年人口的 30%。除了感到眼睛乾澀外，搔癢、發紅、灼熱、畏光、有異物感、容易疲勞、視力模糊等皆是乾眼症常見症狀，對生活與工作造成很大的影響。張芯瑜醫師提醒，若未積極治療，可能會導致角膜表面潰瘍或混濁，嚴重可能因此失明。

如果感到眼睛不適，切勿任意使用眼藥水，建議接受檢查，確認病因，才能對症下藥，改善乾眼症！ 

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