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付出的不只三人,2020 年諾貝爾生醫獎的幕後功臣——《科學月刊》

科學月刊_96
・2020/12/30 ・4543字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 603 ・九年級

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  • 方偉宏/臺灣大學醫技系副教授。

許多科學獎項,往往只頒發給特定幾位研究者,但在這些研究人員背後,其實也都有個默默努力的團隊。而今(2020)年的諾貝爾生理學或醫學獎,頒發給了三位發現C肝病毒的學者,其中獲獎的英國生物化學家霍頓(Michael Houghton)認為,自己能獲得此殊榮靠的是研究團隊中每位科學家的努力與幫忙,團隊中的郭勁宏與朱桂林也功不可沒。

英國生物化學家霍頓(Michael Houghton),2020 年諾貝爾生理醫學獎得主之一。圖/Wikipedia

今年,在諾貝爾生理醫學獎公布頒發給 C 型肝炎病毒的發現者後沒幾天,筆者突然收到紐約大學環境醫學系湯猛雄教授的來信,討論本年度得獎者的遺珠之憾。原來湯猛雄是要為研究肝炎的郭勁宏(George Ching-Hung Kuo)博士抱不平。

與諾貝爾獎失之交臂

郭勁宏在 1961 年畢業於臺灣大學醫技系,並於 1972 年自美國愛因斯坦醫學院(Albert Einstein College of Medicine)取得博士學位。1989 年,他與霍頓、朱桂林(Qui-Lim Choo)和布拉德利(Daniel Bradley)共同發現並成功選殖出C型肝炎病毒。

科學家在1970年代發現,除了 A 型和 B 型肝炎外,似乎還有另一種病原體不明的肝炎。在美國開榮生物科技公司(Chiron Corporation)之下的霍頓團隊,與一同合作的郭勁宏便對此展開研究。到了1989年,霍頓團隊發表了論文,指出在患有「非 A 非 B 型肝炎」的黑猩猩血漿中,發現一段病毒核酸。該病毒後續被確認是新型的病毒,並正名為 C 型肝炎病毒。隨後團隊很快研發出檢測血液中病毒的方法,因而降低由輸血感染 C 肝病毒的風險,大幅提高輸血安全。也因這些研究,郭勁宏獲得了1992年的卡爾‧蘭德斯泰納紀念獎(Karl Landsteiner Memorial Award)、1994年的威廉‧博蒙特獎(William Beaumont Prize),以及2005年的戴爾.A.史密斯紀念獎(Dale A. Smith Memorial Award)。

從以上簡歷可看出郭勁宏確實對 C 肝病毒的發現有所貢獻。而湯猛雄轉來的一份報導,則包含了更為深入的說明,摘要如下:「阿爾特(Harvey Alter)、霍頓及萊斯(Charles Rice)三人因發現 C 型肝炎病毒榮獲 2020 年諾貝爾獎,在描述得獎者工作成就的文件中,說明獲獎原因是『他們的發現為發展篩檢方法定下基礎,大幅減少因為病毒汙染血液感染肝炎的風險,進而引導出有效藥物的發展,改善數以百萬計人民的生活。』自C肝病毒發現至 1992 年為止,他們的研究降低了輸血感染C型肝炎的風險。」

三位得主分別在臨床發現病毒、分析病毒序列、製作病毒的 RNA 變異體,而郭勁宏正是分析病毒序列的幕後推手之一。圖/諾貝爾官網

霍頓為何拒加拿大的科學殊榮?

雖然阿爾特及霍頓是各自進行 C 肝的研究,但這些研究都不是由他們獨自一人進行的。美國生物學家舍爾澤(Jason Sheltzer)在今年 10 月 5 日的推文中指出,霍頓曾於 2013 年榮獲加拿大的蓋爾德納獎(Gairdner Award),但他卻婉拒了這個獎項,原因是另外兩位協助他發現 C 型肝炎的同仁並未同時入選。霍頓在當年發表的聲明節錄如下:

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「對於本人在 C 型肝炎研究的肯定,而成為著名的蓋爾德納國際獎的得獎人深感榮幸。然而,我覺得如果只有本人接受這獎項,而沒有包括朱桂林博士與郭勁宏博士兩位同仁,則是一件不公平的事。我們三人密切合作了 7 年,使用一個在傳染病學界的新方法,才得以發現這個難以捉摸、挑戰性很高的病毒。」

舍爾澤的推文指出:「許多人談論的那些大獎項,的確都無法正確反應出現代團隊的科學研究。但是為了謹守個人信念而放棄十萬元的獎項,確實令人驚嘆。

然而再一次,今年諾貝爾委員會(Nobel Committee)在宣布生醫獎得獎人的新聞稿中,也未提及朱桂林與郭勁宏。但本次得獎者的關鍵著作,也就是於 1989 年 4 月發表於《科學》(Science)的兩篇論文,第一作者分別就是朱桂林及郭勁宏。

根據《自然》(Nature)於今年10月20日刊出的專訪描述,在1980年代時,朱桂林每天從上午 8 點到夜間 11 點,一週 7 天都在實驗室工作,但成果始終令人氣餒。當時他與兩位同仁不斷追尋汙染血源的致命病毒,但日子一天一天過去,卻一直沒能發現病毒的存在。如果找不到測試病毒的方法,除了代表會有更多人被未知的病毒感染,他們的研究計畫也隨時會被公司停止,甚至因此丟了工作。而他的工作夥伴郭勁宏也時常工作超時到半夜,常常趕不上回家的晚餐,但兩人都一致認為這段時間是他們生命中的黃金歲月。朱桂林說:「這是一個塞滿工作的艱困時期,但是過得很快樂。」他們最終成功找到 C 肝病毒,這個發現引導出篩測汙染血的方法,並發展出藥物可治癒大部分被感染的病人。

多年的努力——獲獎後的喜悅與失落

而就在霍頓得知自己榮獲諾貝爾獎時,他發出了憂喜參半的情緒:

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「能夠得獎是很甜蜜的,但是另一方面卻也感到相當苦澀,因為諾貝爾獎並沒有直接認可整個團隊。」

霍頓長期以來爭取兩位同仁在 C 肝病毒研究的功績,在公布諾貝爾獎得主後的記者會中,他說:「如果沒有他們的付出,我是無法成功的。

1982 年,霍頓於開榮生技公司任職,並開始了找尋新肝炎病毒的計畫,兩年後朱桂林也加入了他的實驗室團隊。在那個聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)尚未普及的年代,如新冠病毒等新興感染源要在數週內完成基因解碼是無法想像的。團隊在經年的努力下仍空手而回,霍頓身為實驗室的主管,每 6 週要向開榮的管理團隊做進度報告,但有些管理成員卻直白地表示,C 肝計畫是在浪費錢。霍頓說:「那時我常常受到解僱的威脅。但是我當時所想的是,還有比我正在做的事更好的方式嗎?」

聚合酶連鎖反應(PCR)於 1983 年開始發展,此為 PCR 的簡要流程。圖/wikipedia

而在霍頓隔壁實驗室的郭勁宏更早在 1981 年就加入了開榮公司,主持研究腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)。1985 年當朱桂林和霍頓在篩測數以千萬選殖的基因序列卻都毫無病毒蹤跡時,郭勁宏向他們提供了一些建議,他表示團隊需要改變方針,由於病毒量太少了,難以用正在進行的方法測出,建議從感染檢體中收取的 RNA 片段,植入細菌中做成「基因庫」,然後讓基因庫表現的蛋白,以感染非 A 非 B 型肝炎病人的抗體進行篩檢。

這個方法是寄望於 C 肝病人會產生抗體識別這些病毒序列表現的蛋白質,讓研究人員可以在基因庫中釣出病毒序列。另外,布拉德利也同樣建議他們使用這個方法,但在尚未確認有抗體前,這個方法風險太高,霍頓有些猶豫,不過郭勁宏最終還是說服了霍頓,並一同加入研究,協助設計實驗步驟。

自此,三人團隊日以繼夜地努力,霍頓從感染病患血清製備基因庫,以超高速離心將檢體的 DNA 及 RNA 離心到試管底部形成黏答答的一層。有一天他的製備似乎出現問題,「我拿到了很奇怪的東西,是油狀的核酸萃取。」雖然霍頓的助理建議直接當廢水處理,但他還是用了這個材料進行實驗,沒多久朱桂林在霍頓的油狀萃取發現了小段核酸,他認為很有可能來自於病毒。使用這個片段,團隊可以釣出附近病毒基因的序列,最後將病毒基因體拼湊出來。郭勁宏則立刻使用這些資訊,設計了一個可以篩檢感染血液的測試。1989 年,團隊發表了這項研究,並以朱桂林為第一作者的論文描述病毒的分離,將此病毒命名為「C 型肝炎病毒」,而以郭勁宏為第一作者的論文則列出篩檢 C 肝病毒的步驟。

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霍頓於 2009 年 11 月發表在《肝臟學期刊》(Journal of Hepatology)的論文中,說明了朱桂林與郭勁宏在發現 C 型肝炎病毒的貢獻,也提及布拉德利的協助。文章描述了霍頓實驗室在開榮公司的 7 年間,正是阿爾特另文所指出「野心十足」的研究。

以下摘要部分重點:「關鍵的工作夥伴包括了朱桂林博士、在開榮任職的同事郭勁宏博士,以及布拉德利博士,他們提供了許多 C 型肝炎黑猩猩感染模型的生物檢體。我們嘗試了許多分子生物學實驗,包括篩測數以千萬計來自細菌 cDNA 基因庫的材料,這些早期基因體的研究,讓我們雖能鑑定出許多在 C 型肝炎感染宿主時所產生的基因反應,卻沒有一個基因被鑑定是傳染病原。雖然我們的研究開拓了另一條道路,也對於 D 型肝炎病毒全基因體做出完整的分子研究分析,但很不幸的,這些都無法應用於處理 C 肝病毒的分子。

由於郭勁宏博士的貢獻,我另啟一個 cDNA 免疫篩測的盲測計畫,使用 C 肝病毒感染黑猩猩,並以細菌大量選殖 cDNA 基因庫,衍生蛋白體,再用 C 型肝炎病人的血清當做抗病毒抗體的預設來源,以進行大規模的篩測。最後,這個新的研究方法確認了傳染病的病原體,並分離出單一小的 cDNA 株,以各種分子及血清學檢驗的標準驗證,這是來自於 C 肝病毒的基因體。

而在另一篇於去(2019)年9月發表的文章中,霍頓寫道:「在 1985 年末至 1986 年初,除了繼續前述研究實驗外,我們也開始使用免疫篩測,以感染 C 型肝炎黑猩猩的肝臟及血漿所製成的 cDNA 基因庫,再用 C 型肝炎病人的血清當做抗病毒特異性抗體的預設來源,進行了大規模的篩測。雖然這種方法即使是採用功能明確的抗體也不一定會成功,而且基於 C 型肝炎已知慢性的特徵,顯示這種病原不容易激發免疫反應,我仍然決定嘗試具高失敗風險的方式。

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隔壁實驗室的郭勁宏正在進行凝血第八因子的特性研究,他是這種實驗方法的熱心推動者,更是激發我嘗試實驗的主要推手。此外,布拉德利也是這個實驗策略的支持者,他也曾對另一個使用這種研究策略的研究團隊提供了黑猩猩的檢體……。在1987 年底,朱桂林、郭勁宏和我三個人都認為已鑑定出血液傳染的 C 型肝炎,並在命名的同時提出第一個專利的申請,1989 年初正式發表研究成果。」

榮耀不該只限於少數人

霍頓表示,他會接受諾貝爾獎,是因為他無法改變諾貝爾獎只頒發給 3 位受獎者的制度,他說:「只要談到給獎方式,就會將整個發現過程的氣氛搞得有點糟。」他列舉了好幾位後來參與 C 肝研究的科學家,「這些優秀的人都值得肯定。」

本文的重點不是霍頓接受獎項與否,而是要討論諾貝爾獎的一項規則:同一獎項不能同時頒發給 3 名以上的得獎者。但事實上,這項規則已是舊世代的遺跡,對於科學界不斷累積的進展幾乎不予肯定。

實際上,每個里程碑級的新發現,無可避免地立基於許多人多年的努力,即使諾貝爾委員會也在公布得獎隨附的文件中,以技術性的方式肯定後續的功勞,包括 C 型肝炎所發展出的第一個有效疫苗,其中包含數十位研究者的名字,但能站在台上接受表揚的人則僅有 3 人。 

當諾貝爾獎新聞公布時,郭勁宏表示他有點失望:「在現今以團隊為研究單位的科學而言,限制得獎人數似乎是過時的做法。」但他也進一步表示:「得獎從來不是目的,我的動機來自於有個夢想,做出不一樣的事,幫助全世界的人。我也想教育我們的孩子,對於自己感動心弦的事業,努力的投入是很重要的。」

  • 〈本文選自《科學月刊》2020 年 12 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。圖/截取自泛科學 YT 頻道

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖畫反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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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

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  • 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。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 53 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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開創鴉片蛇毒中醫藥研究,臺灣第一位醫學博士——杜聰明
PanSci_96
・2023/02/03 ・3714字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 文/郭立媛

1954 年夏季處於炎熱高溫的南臺灣,一間禮堂內湧入了近百人,臺下有許多穿著西裝或紳士服的男士們,一個個坐姿直挺聆聽臺上講者的發言,頻頻點頭應和;多數的學生們除了忙著拭去臉上的汗水,同時也更加勤奮地用手搧風消暑,與在座貴賓、家長仔細聆聽的樣貌呈現強烈對比。

講臺上站著一位六旬老人,用著流利優雅的閩南語,對這群剛進入高雄醫學院的學生們講述著「樂學至上,研究第一」的精神信念。

這位老人就是高雄醫學院(今高雄醫學大學)的創辦人,同時也是第一位臺灣醫學博士——杜聰明。

杜聰明在日治時期就有崇高的社會地位,是當時許多臺籍學生的偶像,戰後更在醫界擁有巨大影響力,因此在他創辦高醫後,有許多學生或舊識,紛紛將子弟送來高醫就讀,這些來自醫生家庭的子弟,許多是父子兩代都師承杜聰明,成為一段杏林佳話。

1954 年高雄醫學院成立暨開學典禮會場。圖/參考資料 1

體格丙下破格錄取,臺灣第一位醫學博士

杜聰明(1893-1986),號思牧,臺北淡水人。1909 年自滬尾公學校畢業後,以榜首考取臺灣總督府醫學校,但因體格檢查被評定為丙下,險遭除名,幸有當時的代理校長長野純藏將其破格錄取。

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杜聰明在醫學校期間閱讀許多科學家傳記,最敬重德國的柯霍(Robert Koch,1843-1910)和法國的巴斯德(Louis Pasteur, 1822-1895)這兩名細菌學家。或許是師法這些研究者,醫學校畢業後,杜聰明選擇從事醫學研究,他先進入總督府研究所擔任助手,次年在堀內次雄老師的引薦下,前往日本京都帝國大學醫學部深造,通過了學力測驗後進入賀屋隆吉教授的內科教室,一年後再轉到森島庫太教授的藥物學教室做研究。

1922 年 11 月 23 日《臺灣日日新報》關於杜聰明獲得臺灣首位博士的報導。圖/參考資料 2

1921 年,杜聰明以高等官的身份返臺,擔任臺灣總督府醫學校助教授,是當時第三位被任命為日本高等官的臺灣人。1922 年甫滿 30 歲的杜聰明不僅已升任教授,同年底也順利通過博士申請,成為全日本國第 955 號博士,也是首位獲得日本博士學位的外地人,更是日治時期全臺灣第一位榮獲博士學位者,頓時成為臺灣各界矚目的焦點。

在當時,要取得博士學位本身已非常困難,尤其又是醫學領域。杜聰明身為土生土長於殖民地的臺灣人,卻能得醫學博士,不僅帶給許多臺灣人希望,同時也成為日本殖民政府有力的政策宣傳工具,往後只要提到臺灣,杜聰明的名字就一再被人提起,連帶被冠上了「臺灣第一位醫學博士」的頭銜。

杜聰明於 1942 年 7 月 3 日正式敘陞一等高官,身穿敕任官禮裝,為日治時期臺灣人官位最高者。圖/參考資料 3

鴉片、蛇毒、中醫藥,研究深具臺灣在地特色

校上課的時間外,杜聰明幾乎都待在研究所內做實驗。1925 年底杜聰明出發前往歐美留學,觀摩考察世界一流的研究室,為時約兩年半,1928 年人在巴黎的杜聰明還拜訪了正在環球旅行的林獻堂父子。

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自歐美留學回國後的杜聰明,重新開設藥理學教室,但此時他身邊只有兩位助手和一位醫專應屆畢業生,但杜聰明不以為意,他認為比起實驗室的規模大小,最重要的是研究者的態度,此後他便開始投入鴉片、蛇毒、中醫藥等三項深具臺灣在地特色之研究。

杜聰明(後排中)與更生院的鴉片隱患者。圖/參考資料 4

鴉片癮者是臺灣社會長久以來的問題,不知多少人為此傾家蕩產,因此杜聰明在鴉片戒癮研究方面,主張以「漸減法」治療矯正吸食鴉片和施打嗎啡患者的毒癮,並發明微量嗎啡成分定性定量檢查法,藉由尿液檢查來決定療程,這種「尿檢法」至今仍是毒品檢驗的主要方式。

在日本政府的支持下,杜聰明帶領學生在愛愛寮及臺北更生院內進行大規模的鴉片戒癮療法,以總督府所設立的臺北更生院院內人數統計,在設立後的 17 年間共矯正了鴉片煙癮者 11,498 人。1937 年 8 月,杜聰明更因鴉片戒癮研究之成就,榮獲了日本學術協會賞。

除了鴉片的問題,身處熱帶潮濕地區的臺灣,經常出沒的毒蛇也是杜聰明所關注的研究焦點。原先日人對臺灣毒蛇研究多侷限於免疫學和血清學研究的範圍,杜聰明則將研究方向轉為其所擅長的毒物學和藥理學,更將蛇毒製成的鎮痛劑進行人體實驗,後來由李鎮源繼續傳承蛇毒的研究工作。關於臺灣蛇毒之研究,杜聰明共計發表 100 多篇論文,成績豐碩。

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然而,杜聰明對於傳統的中醫藥也極有興趣,他主張應該要用現代科學角度去研究分析,也曾建議統治者讓中西醫研究一元化,雖未被採納,但他在生藥及中藥的藥理研究上仍有不少成果。

1930 年代在他擔任臺北帝國大學醫學部教授時,仍嘗試向學校當局提出設立漢醫學研究機關之建議;甚至到戰後初期,也曾向當局建議在臺大醫學院第一附屬醫院增設漢藥治療科,可惜最後仍未能如願。

造就臺灣的醫學教育,至高雄創設醫學院

在杜聰明所主持的藥理學教室中,先後有 40 名醫專畢業生跟隨杜聰明研究,共發表 131 篇論文,杜聰明因此建立其學術地位。1936 年,臺北帝國大學醫學部成立後,杜聰明被延攬為醫學部教授,是當時唯一的臺灣人教授,主持藥理學研究室,先後造就了 40 餘位醫學博士。

1945 年日本戰敗投降,杜聰明負責接收臺北帝國大學醫學院及附屬醫院、熱帶醫學研究所、赤十字會醫院,順利完成接收工作。之後,獲任命為臺灣大學醫學院院長兼附屬醫院院長,以及熱帶醫學研究所所長。

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1947 年爆發二二八事件,杜聰明在友人通知下,幸運地迴避風險,同時也保住臺大醫學院的實驗教室與多數儀器,但在此之後,對於政治的熱情逐漸降溫,將全數心力都放在醫學教育上。

經歷臺大校園及臺大醫院一系列的人事變化、制度改革後,他仍積極爭取設立牙醫學系和藥學系,至 1953 年 8 月,臺灣大學終於通過設置牙醫學系和藥學系案,但也因此得罪校方行政部門,最終杜聰明遭校方強制解聘,只能黯然離開醫學院院長職務。

杜聰明離開臺大後,1954 年 7 月在南臺灣創辦了高雄醫學院,來實踐他的醫學教育理想。

首屆招收了 61 名醫學系學生,師資則多由杜聰明從臺大力邀而來。1963 至 1966 年間,因人事及財政問題而爆發「高醫風波」,導致杜聰明於 1966 年 10 月辭職。但此時高雄醫學院已頗具規模,為國內醫學教育重鎮。

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而當時的臺灣省政府為了解決當時原住民部落存在著「無醫村」的問題,轉而向杜聰明尋求協助。鑑於許多醫科畢業生多不肯前往山地服務,在省府的委託之下,1958、1959 年杜聰明協助在高雄醫學院特設公費的「山地醫師醫學專修科」,專門招收原住民青年,經過四年的醫學教育後,必須到山地部落的衛生所服務滿十年,藉此來解決山地原住民醫療缺乏的問題。後來省政府考量地處海島的澎湖縣也是醫療資源不足,因此在原住民青年外,另外增加 4 個澎湖縣的學生名額。

杜聰明(右四)與第一屆山地醫師專科班的畢業生合影。圖/ 參考資料 5

堅定於研究與教育,深刻影響臺灣醫學史

杜聰明有感於身體瘦小,自醫學校時代開始,每日早晨勤於鍛鍊身體,數十年如一日,平時也喜好游泳,在擔任高雄醫學院院長期間,每週前往西子灣游泳健身。

家人記憶中的他,白天待在學校的實驗室,回家後也總是在讀書、研究,是真正全心投入研究的典範。杜聰明也勤於寫作,除了大量發表相關研究成果,他也詳細記錄自己的各類演講稿、出國考察見聞;自 30 歲起,更努力練習書法,每天都要練字至少四張,藉以修心養性,至今許多後輩、學生都仍保留他的墨寶。

杜聰明善用時間勤練書法,每天練字成為終生的嗜好。圖/參考資料 6

綜觀杜聰明的一生,在面對不同的統治政權,都能堅定地扮演好醫學研究實踐者和醫學教育推動者的角色,不僅在鴉片戒癮、蛇毒和中醫藥理三方面有開創性的研究成果,戰後更積極推動臺灣的醫學教育發展,培育出許多優秀的醫學界人士。

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杜聰明畢生投入醫學研究和教育的卓越成果,堪稱為近代臺灣醫學史上影響最深刻的人物。

參考資料

  1. 杜祖健提供,轉引自:楊玉齡,《一代醫人杜聰明》,臺北:天下遠見,2002,頁 262。
  2. 〈新醫學博士 杜聰明氏〉,《臺灣日日新報》,1922 年 11 月 23 日,日刊版 07。
  3. 杜淑純口述,曾秋美、尤美琪訪問整理,《杜聰明與我:杜淑純女士訪談錄》,新北:國史館,2005,頁 8。
  4. 原載於《杜聰明先生榮哀錄》,轉引自:楊玉齡,《一代醫人杜聰明》,臺北:天下遠見,2002,頁 137。
  5. 原載於《中外畫報》雜誌,振聲攝。轉引自:楊玉齡,《一代醫人杜聰明》,臺北:天下遠見,2002,頁 302。
  6. 杜祖健提供,轉引自:楊玉齡,《一代醫人杜聰明》,臺北:天下遠見,2002,頁 165。
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