「漸進式」增強運動強度：無器材輔助，也能把家變成自己的專屬健身房！

• 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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體重過輕可能造成哪些問題

以目前的標準，會建議 BMI 控制在 18.5 至 24。當體重過輕的時候，基本上身體裡面的一些營養素，就會開始吸收不夠。吃得不夠，就很容易造成一些貧血的問題；刻意不吃的時候，吸收也會變差，間接引起營養不良的問題，很常會開始這裡不舒服、那裡不舒服，甚至像是突然間暈厥，就是極度的營養不良；再來是我們在給予自己這麼大壓力的時候，刻意去減重的情況下，會引起一些生理跟心理的問題。

當過輕時，很常會肌肉不足，之後骨質流失開始加快；很常聽到 20 幾歲的人跌倒之後就骨折，其實就是骨質疏鬆，可是並不知道，因為我們還很年輕。

如何健康減重

目標要設實際一點，而且是可以達到的一些目標。比如可以設定一個禮拜內，要讓體重下降的正常合理範圍是 0.5 公斤，也就是一個月減重不應該超過 2 公斤；以這個為目標去設定一天可以攝取的熱量，很多人都會建議女生吃 1200 大卡至 1500 大卡，男生吃 1500 大卡至 1800 大卡，如果有在運動可以設更高一點。

很簡單地去想要吃得健康一點，巨量的營養包含醣質、蛋白質，還有脂質，就盡量吃原型的食物，去攝取足夠的蛋白質，在過程當中吃足夠的纖維質，比如像蔬菜，最後再去吃澱粉。

增肌減脂有哪些好處

如果有在進行減脂的過程去抽血，就會發現其實我們的 LDL 會下降、HDL 會上升，三酸甘油脂也會下降，其實這就是反應了一個很健康的生活型態。

增肌有非常多的好處，而且是很生活化的好處。比如像老人家要去上廁所，很多時候意外都是發生在廁所；因為蹲下去、坐在馬桶上面之後，要起來時沒有力氣、平衡感又不好的情況下，就會很容易跌倒，發生很多不幸的一些意外。

我們的肌肉量會影響到肌力和肌耐力，就會間接影響到有沒有辦法去執行日常生活中需要做的事情。

減重過程中的飲食要如何安排

一個大原則是每一餐吃拳頭大的澱粉，不管是白飯、糙米飯，還是地瓜，吃一份的澱粉，就要吃兩份的蔬菜，盡量吃到兩份的蛋白質；以這種攝取方法，其實都可以吃得非常飽，而且非常滿足，身體就會得到它所需要的巨量及微量營養素。

我自己很推崇的地中海型飲食，它不單單是一個飲食法，它是一個生活的模式。建議你吃很健康的食物，多吃海鮮、少吃一些飽合脂肪酸的東西，像紅肉；盡量吃乾淨，調味的部分就是避開重油、重鹽。

鼓勵多去跟人互動、多去戶外活動，基本上我們要先回到原點，肥胖本身是一個慢性生活型態的結果，所以要正視問題，先認識自己的身體，是在哪一個環節慢慢出錯，然後去做修正；什麼飲食法適合自己？這需要一段時間去探索、去調適，我相信沒有一個絕對對的飲食法，也沒有一個飲食法是適合全部人。

除了體重之外，還需要注意哪些指標

除了體重、BMI 以外，我們會去量腰圍，男性腰圍盡量要小於 90 公分，女性腰圍小於 80 公分。腰圍反應著你的中段有沒有囤積很大量的脂肪；當身體的中段在囤積脂肪的時候，就代表比較容易會產生一些代謝症候群。

其實最好的量測方法是一面鏡子，當在認真地減重或者增肌時，身體一定會反映出來；身體是非常誠實，體態在改變、線條在改變一定看的出來。不要被數字綁架，其實我們在運動也好、減重也好，我們就是希望可以活得健康，可以不要年紀大的時候臥床。

最大的目標就是要活得好，不要在為了活得好的過程當中，去做傷害自己身體的事情，這也是最重要的部分。

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• 作者／白映俞 醫師
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《確認這六點，才能有效安全鍛鍊核心（圖解懶人包）》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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說到鍛鍊核心，許多人會先想到現在年輕人的短上衣與若隱若現的腹肌線條。「是不是要一直做捲腹或仰臥起坐，才能有漂亮的腹肌線條呢？」

然而實際上的練核心，並不是專注於腹部的六塊肌，除了腹部肌群，包括在脊椎、下背、髖部的肌肉群，也就是軀幹中間的這一大部分，或「除了頭、手、腳之外的肌群」，這些我們每天走路、移動、活動一定需要用到的基本，都屬於核心肌群要鍛鍊的範圍；當核心肌群的肌力與活動度增加，對減少下背痛、髖部痛、膝蓋痛都有幫助。

如果你想要開始鍛鍊核心，請注意下列幾點：

• 注意環境安全

不管你準備做什麼運動練習，首先都要先從安全開始考量。核心的鍛鍊並不困難，只要你有一小塊空間，能夠放個地墊、瑜珈墊，周邊稍微整理一下，自己揮一揮手、轉個身體，確認不會踢到打到其餘物品，就是個安全的環境了。

多數核心運動的鍛鍊是可以用徒手練習達成的，也就是不需要準備其他特殊器材即可練習。

• 完整熱身

如果你今天只準備要做核心訓練，還是要先做熱身，例如原地踏步幾分鐘，手臂可以同時做一些大幅度的活動，像是肩膀轉圈，雙手畫大圓之類的，讓身體熱起來；或者，做一些類似舞蹈動作的熱身，讓身體每個關節都稍做活動，再進入核心的鍛鍊。

• 維持好姿勢

在鍛鍊核心的時候，常常會聽到，要「收好核心」或「核心用力」這樣的敘述；如果你還不太有感覺，可以想像將肚臍愈來愈拉近背部，並且收緊尾骨處，這就是收好核心的模樣了。

注意不要翹起臀部，不要骨盆前傾，萬一下背部到臀部的曲度太大，會導致問題並讓下背部愈容易受傷。假使平常是久坐的人想要鍛鍊核心，可能會因為髖屈肌太緊而讓骨盆前傾，這時可以善用滾筒先放鬆一下髖屈肌。

• 過程之中不應有痛

核心練習的過程中，你會感到腹部核心的肌肉緊縮感，但不應該是痛，尤其要注意躺著練習核心的時候，下背部應該都要平貼在地墊上，過程中若有下背痛，很可能是姿勢並不正確，請不要勉強自己繼續，而是要好好檢查自己的動作並做調整，再度確認下背部有好好地貼平於地面，不要拱背或弓背。

萬一真的怎麼做都會痛，要讓醫師診視，確認是否已有其他肌肉骨骼上的問題。

• 不要過度強調核心肌力

練核心除了鍛鍊核心肌力外，同時也要做足夠的伸展，保持肌肉的靈活度。空有肌力但沒有靈活度的話，反而會讓核心不穩定，在做各種活動運動的時候，無法做出流暢的動作，也無法讓核心肌力做出適當的發揮。

另外，不需要天天練核心肌力，其實很多複合性動作的訓練過程中，本來就會需要核心的啟動，再過度練習核心反而會帶來下背痛，甚至疝氣，一般一週練習二到三次即可。

• 逐步提高運動強度

想加強核心運動的強度時，可以靠著加強練習的組數或反覆的次數來做到；另外，改變穩定度也是個很好的練習。像是原本在平坦的地墊上練習，接著可以挑戰「不穩定性」，原本雙腳支撐的臀橋練習改成單腳支撐；原本雙手雙腳著地的棒式，交替地放開一隻手及一隻腳。

不穩定性對核心的刺激是非常有幫助的，不過就像是我們開頭所說的，所有的運動練習都應該首重安全，減少自己受傷的機會。因此最好是在穩定平面的練習中已經可以做的很好之後，再來挑戰不穩定的部分。

在家徒手鍛鍊核心，先做幾個練習

• 跪姿平衡

採四足跪姿，以雙手和雙膝著地。雙手的距離與肩膀同寬，剛好落在肩膀下方，而膝蓋剛好落在髖部下方。收緊腹部的肌肉，右手離開地面舉至與肩膀同高度，手心向下，穩定後左腳向後伸直舉起，收緊臀部和大腿的肌肉，這時先維持右手、軀幹背部、到左腳都是同一水平高度，僅有左手和右膝著地；停留一兩秒後再回覆原始動作。

• 捲腹

躺在地墊上，雙膝彎曲，雙腳微微打開踩地。手臂彎曲放在腦後。腹部緊縮用力，抬起上背，讓肋骨往髖骨靠近，肩膀要離開地面，到軀幹約與地面呈 30 度角；腹部緊縮出力、抬起身體時慢慢吐氣。後來慢慢放下背部，開始吸氣，但不要回到原始位置，連續練習個 15 到 20 次。

如果怕自己手放頭後面很習慣太出力而壓迫頸部，可以把雙手伸直往前或交叉放在胸前。每次連續練習完，如果你覺得自己頸部有點緊繃，請躺在地上讓頸部向左向右轉動幾下，緩解脖子的不適。

（捲腹變化練習 – 居家練核心）

• 棒式

棒式有許多別名，像是也有人會用「平板式」、「撐體」、「平板支撐」等方式來稱呼。基本動作是趴著面對地墊，手肘位在肩膀正下方，臀部、核心用力撐起身體，僅剩腳尖與手肘手臂是和地面相連的。

不要低頭或仰頭，眼睛看向約 20～30 公分前方的地墊，這是「肘撐棒式」。也可以改成兩手打直，用兩手手掌支撐於地，其餘不變，我們稱此為「掌撐棒式」；可以停留 30 秒到 1 分鐘左右。

（棒式變化讓你練全身）

• 側棒式

先右側躺，讓右手肘落在右側肩膀的正下方，右手前臂平貼著地墊；讓膝蓋以下繼續貼在地墊上，抬起髖部、撐起身體，讓軀幹呈一直線，維持 30 秒。如果這樣的動作還算簡單，可以改成雙腳交疊支撐，也就是只有手肘和腳與地墊相連，並保持身體與腿呈一直線。

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