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網路成癮大解密!從何而來又該如何解決?

海苔熊
・2020/09/16 ・7540字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

編按:網路成癮是個複雜的議題,究竟怎樣才算是網路成癮?如果身邊有人有相關的困擾,又該如何治療因應?皆是學術界仍在探討的議題。

下文內容主要是海苔熊整理自 2020/08/15 網路成癮研討會的筆記。

這篇文章嘗試回答下面幾個問題:

  • 怎麼樣才算網路成癮(量表在這裡可以自己測1)?
  • 為什麼會有網路成癮?
  • 如果我發現自己網路成癮該怎麼辦?
  • 如果我家小孩網路成癮怎麼辦?

怎樣算成癮?關於網路成癮的定義,我們可能都想錯了

圖/pixabay

包含我自己在節目上面都曾經說過成癮可能跟三個東西有關(可在維基百科上搜尋網路成癮成癮):

  • 強迫使用(Compulsive behavior):沒想要使用網路,但是卻無法自拔的去使用網路,或者使用的時間比自己預期的還要來得多,簡單地說就是「停不下來」,這一點沒太多問題。
  • 耐受性(Tolerance):隨著成癮的程度越高,你會需要更多的網路使用時間,才能達到一樣的爽快的效果。這一點在測量上面有困難,尤其是現在我們經常處於 24 小時都可以使用到網路的狀態,你要怎麼定義一個人他「使用越來越多?」比方說,如果有一個人一邊工作一邊開著網路在聽音樂聽了 18 個小時,那他算網路成癮嗎?另外一個人,上線連續打電動打了 9 個小時(我相信你我都幹過這種事 XD,尤其是薩爾達傳說:曠野之息動物森友會剛上市的時候),難道他就比較不成癮嗎?「快樂與酬賞」在心理學上是很難測量的一個項目(雖然生理上容易測量),而且每一個行為所帶來的「快樂份量」更難測量,所以像是「我要多少制約,才能達到快樂的感受」這樣的描述,目前還沒有比較好的操作型定義。
  • 戒斷症狀(Withdrawal symptoms):如果你是酒鬼或者是老煙槍,強迫你不抽煙或不喝酒,身體會出現一些劇烈的生理反應,比方說煩躁、容易發怒、注意力不集中、四肢無力、憂鬱、焦慮等等,這些生/心理反應我們就稱之為戒斷症狀。然而,戒斷症狀其實在網路成癮這件事情上面,很難定義。我們可能會說,一個人他如果「不玩網路遊戲一段時間會受不了」,會坐立難安。然而,每個人可以忍受的那個「一段時間」是不一樣的。有的人能一天玩 18 個小時的線上遊戲、或者是使用 18 個小時的網路,但是他剩下的時間都在睡覺、甚至是如果沒有網路兩三天,也不會有情緒、生理反應,但是他在生命當中的另外一些時刻,可能只要有 1、2 個小時讓他沒有玩到,他就會開始暴躁。除此之外,網路遊戲這件事可能很少有生理上的戒斷反應,你可能會說當一個人他玩遊戲玩到一半你把它的網路或者是電拔掉,他會暴跳如雷,但這並不算是戒斷症狀——因為如果你今天大便大到一半,我就把你趕出廁所,你也會暴跳如雷,但我們並不會說你是大便成癮不是嗎?

    總之,要間隔多久出現生理或者是情緒的症狀,才算是戒斷症狀,在網路成癮的世界裡面,還沒有一個清楚的定義,而且就算是同一個人在不同的時間,產生的狀況也可能會有很大的不同。

總之,長期做網路成癮個案的高醫大附醫柯志鴻醫師想法比較是:在上述條件中,或許只有渴求(craving)和網路成癮比較直接相關,其他的條件在實際操作上都比較難以定義跟測量。

為什麼我們會成癮?為什麼藥物治療很困難?

那麼,什麼是渴求(craving)?

有一個研究是這樣做的,研究者把老鼠放在黑色的盒子當中,並且讓牠們吸食古柯鹼2;然後把牠們移到白色的盒子當中,將飼料換成一般的生理食鹽水,結果發現,這些動物只有在黑色盒子裡面,才會出現渴求的行為(craving behavior),例如連續按他們前面的按鈕來獲得更多的飼料。

這樣的狀況在白色盒子裡面卻不會出現,可見得這些老鼠把黑色盒子跟古柯鹼做了一個連結。

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圖/Harvard NeuroDiscovery Center

然而,對於「成癮」這件事情,的確很難有藥物可以幫上忙,所以得倚靠心理治療以及社會的因素介入(支持的環境)。為什麼會這樣呢?憑空的話有點難說明,我下面找了兩張張圖來講解。根據下面這張圖你會發現,「喜歡」(Liking)跟「想要」(Wanting)是兩個很不一樣的東西。當你喜歡一個東西的時候,隨著時間的增加,你並不會想要「渴求」更多,但當你想要一個東西的時候,隨著時間的增加你會越想要得到更多3

圖/〈Liking, Wanting and the Incentive-Sensitization Theory of Addiction

另一個研究曾經調查古柯鹼成癮的患者,結果發現他們普遍對美食、性愛和毒品都是「想要大於喜歡」(下圖),換句話說,他們並沒有很「喜歡」這些東西(甚至知道使用後會帶來更大的痛苦空虛),但是他們就是會無法停止地「想要」4

圖/原〈Liking and wanting of drug and non-drug rewards in active cocaine users: the STRAP-R questionnaire〉,海苔熊轉譯。

而下面這一張圖則說明,大腦的酬賞系統(reward system)是很複雜的,那些讓我們喜歡的事物、讓我們渴求的事物、讓我們上癮的事物以及那些我們會一直很想要去獲得、無法停止的事物等等,幾乎都是作用在類似的區塊 5

圖/〈‘Liking’ and ‘wanting’ food rewards: Brain substrates and roles in eating disorders

換句話說,如果你用增加多巴胺的藥物給網路成癮者使用,那他會不會就只是變成藥物成癮而已?如果你讓他對於酬賞的區塊反應比較不靈敏,不就是等於把他打昏了,搞得他對什麼事情都不感興趣。這樣真的有幫助嗎?

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所以身邊的人或自己網路成癮,可以怎麼辦?

如果你身邊的人網路成癮,嚴重影響到他的生活,那該怎麼辦?有能感(competence)是克服網路成癮的關鍵。一整天的講座下來不論是誰談的東西,都顯示出這個是最重要的。

意思是說,你要讓網路成癮的人覺得自己「是有能力可以克服網路成癮」的,簡單地說就是要增加他的信心,無論是透過網路成癮戒癮營隊6、認知行為治療(CBT)與正念(mindfulness)7、甚至是運動(透過跟青少年說運動可以調整身材,來說服他們多去走動,不要躲在電腦前面也是個方法。青少年可能不會想要脫離網路,但是他可能會想要讓自己的身材看起來好一點,所以運動和健身,讓他們達成這個目標的好方法。)等等任何的方式,其實說穿了就是要讓他覺得自己還是有救的。

而如果你本身就是一個網路成癮的人,下面有幾個方法是比較容易達成的建議:

  1. 不要晚睡
    柯志鴻醫師指出,在他門診的個案當中,他幾乎沒有看過有任何個案是跳過「熬夜打電動、熬夜上網追劇」等等,就變成網路成癮的。
    意思是說,「在三更半夜不睡覺使用網路」是變成網路成癮的一個重要關鍵門檻。一旦一個人家裡面出現了過了 11 點之後還可以用網路的環境,就像是前述黑盒子裡面的老鼠,如果自我控制能力又不好的話,就會很容易陷入網路成癮的漩渦裡面。
  2. 嘗試運動
    其實運動是個幌子,重點是要當事人走出家裡。也是為什麼,一些新興手機遊戲成癮,影響生活功能的程度比較小,因為一個人在玩手機遊戲的時候,他可以掛著練功、還可以四處和其他的人有所互動,甚至,現在有很多擴增實境的手機遊戲,是你得出來走動(例如Pokémon Go)才有可能好好的玩下去的。總之,只要你待在家裡面的時間減少、有機會多去接觸外面的世界,整體來說網路對你的負面影響就會比較小。這也是為什麼有些專家指出 Pokémon Go 可以舒緩憂鬱症病人的憂鬱症狀,如 John M. Grohol 認為「我們已經知道運動對憂鬱症有很大幫助」),但是在沮喪時要積極運動是一項挑戰。這就是為什麼像《PokémonGo》這樣的引人入勝的遊戲會有所幫助的原因。」8
  3. 讓自己待在看不到螢幕的地方
    比方說,不要帶手機去麥當勞唸書,或者是每次要念書的時候就把手機關機,使得使用網路的困難度增加,或許就能夠減少網路的使用。
  4. 藥物輔助治療
    今天的研討會當中,大家都一致認同目前並沒有藥物可以有效治療「網路成癮」這件事情。臧汝芬醫師是馬偕醫院做兒童青少年網路成癮的權威,她認為網路成癮就像是一個大的雨傘,下面暗藏了很多各式各樣可能的共病,這就是為什麼要結合精神醫學一起來幫忙,組合成一個套餐:
    ● 抗精神藥物來調整當事人的一些自我攻擊或攻擊他人的行為。
    ● 抗憂鬱藥物以及情緒調節劑,來調整當事人的情緒。
    ● 透過治療過動症的藥物來調整當事人的衝動控制。
    ● 搭配心理治療處理網路成癮本身。
圖/giphy

治療網路成癮,到底是在治療什麼?

無論網路成癮討論到那裡,我們都要把一個問題放在心裡,就是我們到底在治療什麼?柯志鴻醫師在最後提了一個很酷的案例。他指出,如果有一個人網路成癮但是他覺得很快樂,那麼他其實不需要來治療。大部分的人,人生一定會面臨一種難題、辛苦的地方、或者是想要逃避的東西,他一定有他的需求。我們要做的是讓他的需求可以被滿足,不要再用網路來填補這個需求(只會越填補越空虛)。

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舉例來說,你知道一個人什麼時候最容易感覺到心情不好嗎,答案是早上醒來的時候(有人是睡覺前)。

曾經有一個個案,是職業電競選手,在遊戲圈裡面打滾了很久,當時天堂二還很紅,他玩的角色是高等級的妖精,他可以從很遠的地方攻擊敵人而且自己完全不會被傷害,每次他上線,就會有很多人找他去推王。可是,他覺得很空虛,因為他比誰都清楚,電腦裡面的世界一切都是假的。他感到空虛的時候只好打開電腦,進入天堂 II 的世界中,於是他從一個「厭惡自己的早晨」,一直打電動打到「厭惡自己的睡前」,讓自己看起來整天都很忙碌、整天都有人需要他,但其實這是一場空。

他曾經跟醫師講一句話,柯醫師講完之後全場嘩然:

「我覺得我被制約在無限享樂的地獄裡⋯⋯」

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於是醫師問他的需求是什麼,為什麼要來?有沒有想做的事情?或者要求把他一周想做的事情都寫下來。結果柯醫師發現一件事:網路成癮的個案都不喜歡寫字。他的推論是,人類所以異於禽獸,在於我們有很大的前額葉、有比較好的控制功能,可以了解與管理我們的情緒。從舊石器時代一直到新石器時代,有一個很重要的改變在於「磨製石器」,換句話說我們必須用手指比較精細的動作,這可能和前腦變大還(雖然這只是推論沒有任何的研究基礎)換句話說,當我們可以在日常生活當中使用指尖(例如:寫字、手作一些物品、做黏土、繪畫、沙遊、接觸植物、園藝治療等等,都可能跟前額葉有關)。寫到這裡我突然在想會不會用手指來幫伴侶性交也能夠達到類似的效果?我想加藤鷹絕對不會有網路成癮吧?(亂講)。

圖/取自柯志鴻老師簡報

案例探討:一個共病焦慮症的網路成癮國三生

現場有一個老師提到了一個很棒的問題,也是許多實務工作者內心的痛。如果是網路成癮合併焦慮症,會出現一種狀況是,當事人「有心要改變,但是就是無法真正做到」。她舉了一個個案當作例子,有一個國三的學生,因為即將要考試了,他知道再不唸書就慘了,可是他的網路成癮很嚴重,再加上他有合併焦慮的症狀,所以每次當他使用網路,就會很焦慮自己有很多書還沒有念,這些罪惡感一出現,他又會再去使用網路,接著發生親子衝突,有壓力又去偷用網路 …… 變成惡性循環。他雖然很想要戒掉過度使用網路,可是他辦不到。那該怎麼辦呢?柯醫師的建議如下:

人只有對眼睛看得到的地方產生動機。(原來是這樣啊!我覺得這也是拖延症產生的原因),太過遠的事情,我們就會覺得自己做不到,反而沒有任何動機了。

網路成癮的人有 2 個特色:

  1. 他們有過於敏感的邊緣系統:對於一些刺激,會很快地有反應。
  2. 他們前額葉的煞車和管控功能又不太好,所以當他們開始使用網路讓自己達到愉悅之後,很難讓自己停下來。

所以我們可以做下面 3 件事:

  1. 先處理共病
    跟臧醫師說的一樣,網路成癮可能合併焦慮、憂鬱、過動、人格疾違常等等各種其他生心理疾病,相較於我們很頭痛的網路成癮本身,可以先處理他的其他疾病。事實上一些研究也顯示,當我們能夠有效地降低當事人的焦慮、憂鬱、過動,一些衝動行為,以及網路成癮所連帶的負面生活影響也會慢慢減少。
    (翻譯蒟蒻:針對那個焦慮的國中生,可以請他先一邊服用血清素或者是抗焦慮藥物,來舒緩他的焦慮症狀)
  2. 不要處理網路成癮,而處理他的困擾
    這件事情聽起來很奇怪,但實際上,反而是最有效的方法。因為每一個人都有他的困擾,一個國中生來談網路成癮,通常是被家人逼來的,他的真正困擾或許並不在網路成癮上面,當你可以讓他說說他的故事、讓他去談他人生真正的困擾是什麼,從他的需求切入,再慢慢轉移去考慮網路對他的影響(這是重點中的重點),這樣他才有動機去改變。所以,治療策略是,當個案來找你談話的時候,千萬不要一開始就提到網路成癮,而是你要「讓他講」,支持他,因為你或許是這個世界上少數可以聽他說話的人了──除了網路上面的路人以外。
  3. 訂一個合乎現實的目標
    因為他們計劃和策劃現實生活當中的各種事情並不是他們擅長的(前額葉功能不好),所以可以透過在和他們談話的時候,直接增加他的前額葉功能。
    比方說,跟他一起做治療計劃(記得要根據他的需求),例如一個網路成癮而無法去上課的人,要他先去達成看看「這週上課」,而不是要他整學期都去上課。畢竟,後者對他來講太困難了,很容易就會有挫折感,很快就會放棄了。網路遊戲之所以吸引人的地方在於,他會提供剛剛好的挫折感,讓你一點一點的深入其中,所以你會每一次都覺得有挑戰,並且每一次都不覺得無聊。(詳情可以看:心理學解析《集合啦!動物森友會》:為什麼這款遊戲如此令人上癮?

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    除此之外,治療者要有心理準備,就算訂的目標很小,也可能會失敗,你要想好「鼓勵的備案」。例如你們訂的目標是這個星期要去上課三天,結果他只去了一天,你必須心裡面想一個備案,在他下次來之前當他跟你說他只去一天的時候,你還是可以鼓勵他:「很不容易耶,你之前連一次都沒有去上課,結果這個星期你去了一天。那你那一天怎麼辦到的?」

圖/取自柯志鴻老師簡報

總之,柯醫師認為我們應該從面三個面向來協助當事人從網路成癮當中解脫(如上圖,雖然真的非常困難):

  1. 增加他對自己的人生做計畫,認知控制能力(簡單地說就是訓練他的前額葉)。
  2. 調整他的情緒控管能力(一樣是治療前額葉,並且可以加一些情緒輔助和調節的藥物來做治療)。
  3. 置換酬賞系統。這個是最難達到的,一個人會對網路遊戲或者是網路世界成癮,勢必表示這個世界滿足了他的某一些需求,你要替他去締造一些「不是網路的世界」也能夠滿足他的這些需求,甚至更甚於網路的世界,那他的改變才會持久。如此形成一個正向的健康生活循環(如下圖)。
圖/取自柯志鴻老師簡報

最後的心得:能網路之外獲得酬賞,自然消除成癮問題

天啊不知不覺就寫這麼長了,我自己最後來寫個小心得好了:總而言之,我覺得網路使用就像是霸凌一樣,是只要有人、有網路存在的世界,就一定會發生的事情。我們真正要做的並不是讓當事人不使用網路、禁止使用網路,而是合理的使用,然而什麼是合理的使用呢?其實就是把注意力放在網路以外的地方,增加網路以外的生活裡,我們願意投入的時間,並從中獲得的酬賞。

當然,你一樣可以從網路獲得酬賞,但倘若你的人生可以從其他地方獲得酬賞,那麼你對於網路的成癮程度,也會慢慢下降。

參考文獻與延伸閱讀

  1. 陳淑惠, 翁儷禎, 蘇逸人, 吳和懋, & 楊品鳳. (2003). 中文網路成癮量表之編製與心理計量特性研究. 中華心理學刊, 45(3), 279-294.(註:學界常用這份量表,較具有診斷信效度)
  2. Belin, D., Balado, E., Piazza, P. V., & Deroche-Gamonet, V. (2009). Pattern of intake and drug craving predict the development of cocaine addiction-like behavior in rats. Biological psychiatry, 65(10), 863-868.
  3. Berridge, K. C., & Robinson, T. E. (2016). Liking, wanting, and the incentive-sensitization theory of addiction. American Psychologist, 71(8), 670.
  4. Goldstein, R. Z., Woicik, P. A., Moeller, S. J., Telang, F., Jayne, M., Wong, C., . . . Volkow, N. D. (2010). Liking and wanting of drug and non-drug rewards in active cocaine users: the STRAP-R questionnaire. J Psychopharmacol, 24(2), 257-266. doi: 10.1177/0269881108096982
  5. Berridge, K. C. (2009). ‘Liking’and ‘wanting’food rewards: brain substrates and roles in eating disorders. Physiology & behavior, 97(5), 537-550.
  6. 國內主要由柯慧貞教授團隊每年寒暑假舉辦。不過小的駑鈍,暫時找不到其相關的實徵療效文獻。
    在講座當中,亞洲大學副校長柯慧貞教授採取的方式是不斷地舉辦營隊,透過營隊的活動,讓小孩在八天當中不使用任何網路,拿掉手機,並且增加他進行其他生活娛樂的課程,讓他有自我效能感。這就是一種置換酬賞系統的方法。
    聽起來好像好棒棒,可是由於前面你已經讀過黑白箱子裡面的老鼠的實驗,你也親身經歷過,當你一段時間把你的手機拿走之後,回家你就會立刻找手機這種狀態,所以這個方法我猜可能還是有些限制。
    雖然柯教授指出,參加營隊的學生在後續的追蹤研究當中,依然可以看到營隊介入的效果,但我自己是抱持著不太樂觀的態度──倘若家人沒有提供一個正向良好的環境繼續塑造的話,很快又會打回原形。
  7. Lan, Y., Ding, J. E., Li, W., Li, J., Zhang, Y., Liu, M., & Fu, H. (2018). A pilot study of a group mindfulness-based cognitive-behavioral intervention for smartphone addiction among university students. Journal of Behavioral Addictions, 7(4), 1171-1176.
  8. Pokemon Go Reportedly Helping People’s Mental Health, Depression
  9. 網路使用篇好量表
    結果分析:
    【正常級(20〜49分)】你是屬於正常的上網行為,雖然有時候你會花了些時間在網路上消磨,但還有自我控制的能力。
    【預警級(50〜79分)】你正遭遇到因網路而引起的問題,雖然並非到了積重難返的地步,還是應該正視網路帶給你人生的衝擊。最好要有警覺,並改變上網習慣囉!
    【危險級(80〜100分)】你的網路使用情形已經成為嚴重的生活問題,你應該評估網路帶來的影響,並且找出病態性網路使用的根源。你或許已經成為成癮者,恐怕需要很強的自制力才能使你回覆常態。建議你趕快找專家協助。

本文轉載自:海苔熊 Haitaibear 網路成癮懶人包:什麼,為什麼,還有我們可以怎麼辦?

文章難易度
海苔熊
70 篇文章 ・ 470 位粉絲
在多次受傷之後,我們數度懷疑自己是否失去了愛人的能力,殊不知我們真正失去的,是重新認識與接納自己的勇氣。 經歷了幾段感情,念了一些書籍,發現了解與頓悟總在分手後,希望藉由這個平台分享一些自己的想法與閱讀心得整理,幫助(?)一些跟我一樣曾經或正在感情世界迷網的夥伴,用更健康的觀點看待愛情,學著從喜歡自己開始,到敏感於周遭的重要他人,最後能用自己的雙手溫暖世界。 研究領域主要在親密關係,包括愛情風格相似性,遠距離戀愛的可能性,與不安全依戀者在網誌或書寫中所透露出的訊息。 P.s.照片中是我的設計師好友Joy et Joséphine

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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

  • 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。
文章難易度

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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 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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家人的處方藥可以吃嗎?注意用藥安全,避免成癮!
careonline_96
・2024/07/03 ・876字 ・閱讀時間約 1 分鐘

每到考試前,小華總是緊張到睡不著覺。

「要不要來吃一顆媽媽的安眠藥呢?既然是醫師開的藥,應該很安全吧。」

「等等!千萬不可以擅自服用處方藥喔!」

出現頭痛、生理痛或失眠時,很多人會擅自服用家人的藥物。但是未經醫囑使用處方藥,可能發生危險,或因為產生生理及心理的依賴,而有成癮的風險。

成癮性處方藥多半為中樞神經抑制劑及中樞神經興奮劑,容易因為濫用而對心理、生理造成危害,且會影響家庭、工作與人際關係。所以必須經過醫師診斷,開立處方箋後才可領用,以確保用藥安全。

對藥物成癮後,便必須反覆使用,否則可能出現各種戒斷症狀,例如緊張、焦慮、易怒、厭食、失眠、打呵欠、注意力不集中等。若過量使用藥物,可能傷害身體,甚至導致死亡。

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根據聯合國毒品和犯罪問題辦公室的統計資料,處方藥濫用主要集中在青少年,其致死人數遠遠超過使用海洛因、古柯鹼等傳統非法毒品的致死人數。

日常生活中,如果出現頭痛、生理痛或失眠等狀況,請尋求醫師的協助,千萬不能隨意使用他人的藥物。

如果在使用藥物後,發現有疑似藥物成癮的狀況,一定要盡快就醫治療,脫離藥物依賴!

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解密 Wi-Fi、WLAN、802.11:網路通信的差異與演進
數感實驗室_96
・2024/06/21 ・774字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

在現代社會,如果我們到咖啡廳或其他公共場所,打開筆電坐下來後,通常的第一句話都是「請問這裡有 Wi-Fi 嗎?」。

沒除了 4G、5G 行動通信以外,Wi-Fi 是我們日常生活中常用的上網方式。那麼,Wi-Fi 到底有什麼特點呢?

首先,來解釋一下幾個常見的名詞:Wi-Fi、WLAN、802.11。

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你或許都聽過這些詞,特別是 Wi-Fi,但它們之間有什麼差別呢?

LAN 是 Local Area Network,區域網路的意思。通常指的是像一間網咖這樣的範圍。而 WLAN 就是 Wireless LAN,無線區域網路,這是現在的主流用法。而 802.11,則是專門針對區域網路中無線部分的技術標準。而 Wi-Fi 呢,則可以看作是 802.11 這個技術標準的口語化說法。而 Wi-Fi 的 logo 一黑一白,與太極圖非常相似並非巧合,其 logo 衍生自太極圖,就是想取其相容於任何設備、平台,不管在哪裡都能順利連上網的意象。

有人說 Wi-Fi 在現代已經像空氣、陽光、水和電一樣,成為不可或缺的基本需求。

除了 Wi-Fi 我們還介紹 MIMO 這個關鍵技術,如果對更多技術細節感興趣,或是想聽聽像 Bluetooth 是以國王名字命名的科技小故事,都歡迎在留言告訴我們,期待與你們繼續分享更多有趣的科技知識!

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參考資料

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 49 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/