停課不停學，讓距離不成問題：療育課程如何線上進行？

• 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。

你有聽說過「國民法官」制度嗎？它已在民國 112 年上路嘍！但大家是不是對這件事情很無感呢？

比起坊間各種把法條換句話說的懶人包，當你收到國民法官「徵召」信，你更需要的，是從你的角度、你的需求出發，告訴你法庭實務的情境，以及該如何面對控方、辯方截然不同的說詞，還有媒體鋪天蓋地的關注。

其實大家對新制度無感的原因，可以追朔到司法院對國民法官的限制，目前，國民法官的執行範圍，只限於最輕本刑十年以上或故意致人於死的事件。也因為這些限制，讓需要國民法官執行的案件，比日本製的壓縮機還要稀少！

《國民法官生存指南》 課程介紹 → https://link.pansci.asia/7abzs

雖然稀少，但不代表我們這輩子沒機會成為「國民法官」。如果我們真的有幸成為「國民法官」，那該怎麼辦呢？

這時，你就需要一本「國民法官生存指南」了！

雖然國民法官制度對司法變革至關重要，但媒體對此的報導卻難以理解，以至於大眾無法很好地理解國民法官的任務，以及需要具備的基本能力。網路上，也有很多國民法官的免費資訊、懶人包，但這些內容都只是照本宣科地論述法條解釋，缺乏實際操作的指南。

更重要的是，多數懶人包只摘錄了法條與空洞的法律解釋，缺乏最重要的「司法心理學應用科學」實證研究基礎。

因此，你需要的是一本務實的操作手冊，「國民法官生存指南」正是幫助你準備或因應國民法官法庭內的各種實際狀況的絕佳利器，除此之外，「生存指南」不只回答實務操作上的「眉角」，也回答一般常見的問題：

• 收到通知，我可不可以拒當國民法官？
• 台灣的國民法官跟電影裡的美國陪審團一樣嗎？
• 誰可以當國民法官？誰不能當？需要報名嗎？怎麼報名？
• 當國民法官，有薪水可領嗎？上班怎麼辦？
• 國民法官要審理哪些類型的案件？

現在，我們終於有機會真正走入法庭、成為法官！

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那些運動員上場前的各種小儀式

看看體育或娛樂界任何精英表演者的傳記，很可能都會有某種迷信或儀式。例如，大多數籃球運動員在罰球前都會有一套習慣動作，比如運球、暫停、彈跳球、旋轉一定次數、甚至親吻球。

瑟琳娜．威廉姆斯（Serena Williams）在上場前也會聽同一首歌（艾琳．卡拉 Irene Cara 的〈閃舞……多美妙的感覺〉），並在第一次發球前讓球彈跳五次；拉斐爾．納達爾（Rafael Nadal）在每場比賽前都會洗個冷水澡，並在等待對手時做出一系列獨特的動作。

在藝術方面，碧昂絲（Beyoncé）會在表演前祈禱並進行一系列固定的伸展運動，而被公認為全美最偉大的芭蕾舞蹈家之一蘇珊．法瑞爾（Suzanne Farrell）則總是將一隻玩具小老鼠別在緊身衣內。

迷信和儀式在作家和作曲家中也很普遍，蘇斯博士（Dr. Seuss）碰到瓶頸時，會戴上一頂幸運帽；作曲家貝多芬依靠咖啡來激發創造力，他會虔誠地計算每杯正好六十顆的咖啡豆。

這些儀式是迷信，還是煞有其事？

在我了解期望效應的力量之前，我會相信這些迷信是一種情感支柱，對表現沒有任何直接好處，我可能錯了。

一項關於籃球罰球的研究發現，球員在投籃前遵循個人習慣時，他們的準確率要比偏離習慣順序時高出約 12.4 個百分點。總體而言，完全遵照慣例的總成功率為 83.8%，而未遵照慣例的總成功率為 71.4。

迷信和儀式也可以提高一系列認知任務的毅力和表現，而且優勢往往相當可觀。例如，在針對語言靈活性的一項測試中，幸運符的存在帶來了 50% 的進步。

根據一項研究，光是聽到一句迷信的話——比如「斷條腿吧！」（break a leg，英文祝福語，實指演出成功）——甚至可以帶來小小的優勢。

為什麼儀式有辦法提高人們在多種不同領域的技能呢？一個明顯的解釋是，迷信信念和儀式有助於平息焦慮感，讓人覺得一切都在自己的掌握之中。這幾乎肯定是一個因素。

然而，同樣重要的是，這些可能會引導我們更堅信自己有充足的精力、以及保持專注和自律的能力。

因此，即使在別人開始感到精疲力竭、想要放棄時，我們得以堅持下去，隨著專注力的提高，可以避免任何可能妨礙表現的干擾。

一項直接測試迷信信念對意志力影響的研究發現，花時間在精神冥想的人，比起沒有這麼做的人更專注於注意力測試。如果你開始覺得自己的紀律在減弱當中，利用來自某種超自然力量協助的信念，可以補充你的精神儲備。

有鑑於這些結果，一些研究人員推測，意志力的增強可能是許多文化一開始發展出宗教儀式和信仰的主要原因。

在人類的進化發展當中，自制力的增強可能使人得以控制最糟糕的衝動（比如侵略行為、或偷鄰居的東西），並且為了群體的未來利益而放棄當下的快樂（比如大肆享受有限的存糧）。

不一定要和宗教連結，無神論者也有效果！

幸運的是，即使是無神論者，也可以從某些儀式中受益，無須藉由宗教力量。

正如在《心念的力量》第 2 章「公開標示安慰劑」研究中所看到的，即使參與者完全知道在服用的是假藥物，安慰劑治療也可能有效——顯然是治療本身觸發了會康復的期望。

迷信和儀式似乎沒有什麼不同，有強而有力的證據顯示，即使人們很清楚沒有理由認為這些應該會有效，還是能發揮激勵的作用。

儀式感有助於保持專注哈佛大學的艾莉森．伍德．布魯克斯（Alison Wood Brooks）及其同事執行一項美妙的實驗，邀請參與者表演一段旅行合唱團（Journey）的〈不要停止相信〉（Don’t Stop Believin）卡拉 OK 演唱。

為了確保參與者能夠盡全力，他們被告知將會由卡拉 OK 軟體對表演的準確性進行評分，只要能夠精準地詮釋這首歌，將獲得高達五美元的獎金。

在表演開始前，大約一半的參與者收到以下的指示：請遵照以下的儀式：畫出你現在的感覺，在你的繪畫上撒鹽，大聲數到五。把你的圖畫紙揉成一團，然後把它丟到垃圾桶裡。

比起只是在一旁靜靜等著上場表演的對照組，光是執行這個對唱歌可能沒什麼直接益處的儀式，就讓這些參與者的整體分數提高了十三分。

如何使用儀式來增強專注力？

在後續難度較高的數學測試實驗中，也看得到類似的進步。對於準備工作的具體描述也很重要，如果稱之為「儀式」，參與者會看到益處，但若說只不過是執行「一些隨機行為」，則看不到任何益處。

「儀式」一詞隱含的意義顯然十分重要，提升他們在壓力下保持專注的能力，就像「安慰劑」一詞本身帶來的醫療效果一樣。

在通常會讓我們感到精力耗竭的一些典型意志力測試中，透過世俗的儀式也可以提高我們的決心，包括抵抗美食誘惑的能力。

在一項實驗中，參與者被要求吃東西之前先進行一些儀式動作（身體坐正、雙眼緊閉、低著頭、數到十），而對照組則做一組隨機動作。然後，請他們在 Snickers 巧克力棒和低熱量的水果穀物棒之間做選擇。

在隨後的問卷調查中，進行儀式的參與者更可能表現出比較高的紀律感，對諸如「我在做決定時感到精神強大」、「我在做決定時感到敏銳且專注」等陳述，給予更高的評估。

這也反映在他們選擇的食物上，大約 64% 進行儀式的受試者做出更健康的選擇，而非巧克力，相較之下，進行隨機動作而缺乏儀式感的人，選擇健康食品的僅佔 48%。

在生活中放入一些簡單的儀式感

有鑑於這些結果，大家都可以考慮採取一些有助於產生控制和專注感的儀式。

主要目標應該是選擇對自己有意義和簡單之事：就像節食者進行儀式動作一樣，需要一些容易喚起情感內在力量的東西（如果太過複雜，這種儀式本身在必要時就會難以維持下去——可能會因此增加焦慮感並降低表現）。

可以做一些簡單之事，比如每天一早上班之前進行固定的伸展運動、在重要的演講前重複特定的發聲練習、或是在個人紀律即將受到考驗之前說一句特別的真言。

我個人試著在開始寫作之前，為早餐咖啡建立一個儀式——效法貝多芬數一數咖啡豆，讓此事充滿意義，讓頭腦集中注意力。如果你有什麼喜歡的衣服或香水，把它當成自己必須在壓力下從事活動時的一個幸運符。

無論是職業運動員、歌手、還是演說家，或只是想提升自制力以避免凡事拖延和浪費時間，唯一阻礙的是對自我意志力的預期心理，只要一點點人為的「運氣」和自制力，可能就足以幫助你邁向成功之路。

——本文摘自《心念的力量：運用大腦的期望效應，找到扭轉人生的開關》，2022 年 7 月，商業週刊。