果汁大戰！怎麼喝比較健康呢？

• 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。

最近許多名人不約而同地在推薦一種看起來好棒棒、好好喝、好清爽的冷壓果汁，價格比一般的果汁高不少，並號稱這樣的果汁可以保留蔬果的完整營養、無人工添加。有的品牌甚至還打出無麩質、能排毒、改善身體的新陳代謝等效果。冷壓果汁真的那麼神奇嗎？讓我們一起來剖析吧！

冷壓果汁v.s.一般果汁！有什麼不一樣？

一般果汁是果汁機打成的，果汁機大多是利用離心力，讓快速旋轉的葉片將水果撕地細碎，這樣的過程會讓水果容易氧化，和暴露在較熱的環境之中。而這些都是會降低果汁內維生素和植生素（植生素包含植物當中的營養物質）含量的原因。而冷壓的技術理論上能避免這些我們想在果汁裡喝到的營養物質的流失。

冷壓果汁保留營養素、延長賞味期的方式分成兩階段：

1. 第一階段，將蔬果切片，在低溫狀態下（攝氏四度到十度之間）施加壓力取汁。這樣的做法雖然保留營養素，卻還有細菌快速滋長的隱憂，得盡快飲用。
2. 第二階段，就是透過「高壓加工技術」(High Pressure Processing, HPP) 取代高溫殺菌來延長賞味時間，透過施加高壓，破壞細菌的細胞組織，讓細菌喪失生理活動能力，也較能保留微量營養素跟食物原本的味道跟口感。一般來說可以延長賞味期至一週以上。

高壓加工技術這種處理法也稱為帕斯卡法，命名來自十七世紀的哲學家與科學家布萊茲‧帕斯卡。這邊要特別釐清的是，有些冷壓果汁在銷售上會強調「無高溫殺菌」，這種說法對比的是其他以提高溫度為主的食品加工法，包括巴氏滅菌法（Pasteurization）這類「低溫長時間殺菌」（約在攝氏63度到72度之間），雖然 HPP 與之相比溫度是低了許多，不過通常在食品加工上，只要低於一百度就被認為是低溫了。

冷壓果汁超營養？而且無麩質讓人不容易過敏？

適當攝取蔬果營養對人體當然好，但並沒有證據證明冷壓後的果汁是對人體更好的，因為能保留營養跟人體是否會吸收那些營養是兩碼子事。另外要注意的是冷壓的處理方式並不一定對所有營養素都很友善，像是番茄紅素在加熱過後人體才更好吸收，而不同的技術對鈣、鐵、鎂等微量元素並不會有太大影響。

另外，有些冷壓果汁強調「無麩質」，但其實蔬果中原本就沒有麩質，再重申一次：蔬菜水果裡沒有麩質！

麩質（gluten）來自於小麥、大麥、燕麥等穀物，只要不加入這些，當然不會有麩質；而近期的研究也顯示，在認為自己對麩質過敏的人之中，其實只有三分之一的人真的對麩質過敏。所以有沒有麩質不應該被拿來當作好果汁、壞果汁的指標。

冷壓果汁為何比較貴？果汁濃有什麼問題？

一般果汁一杯差不多70元，那為什麼冷壓果汁那麼貴？據說（但是無法查證）是因為每16盎司（約453.6克）的果汁要使用6磅（約2.7公斤）的蔬果去冷壓（這個數字，得自於最昂貴的冷壓果汁品牌Blueprint’s），但各家冷壓果汁的數字就不一定了。高價來自於冷壓技術本身就相當昂貴，所以冷壓果汁貴其實是技術與原料（如果真的有使用那麼多的蔬果的話）的雙重原因，提高了製作的成本。

但喝這麼濃的果汁真的好嗎？這是得小心的。

現在的水果甜度都很高，飲用太多很容易過量攝取糖份。對於糖尿病或是血糖代謝有問題的人，真的不建議嘗試。在國外的冷壓果汁網站上強調，依照他們的飲用法，一天可以攝取到20磅（約9.08公斤）的蔬果，但是攝取這麼多的蔬果所含的糖份，對身體也會造成不小的負擔。所以如果如果要喝冷壓果汁，得選擇蔬菜成分較高，糖分較低的才好。可以的話，營養專家 還是建議直接吃蔬菜水果，才是最好的方式囉！

可以排毒錯了嗎？輕斷食不好嗎？

我們常聽到的排毒，其實是指透過代謝來排除以不同方式進入身體的有害化合物。而這些有害物質可分為水溶性跟脂溶性，水溶性的物質在代謝前後可以經由排泄或排遺排出；如果是脂溶性的就比較麻煩了，像是戴奧辛或多氯聯苯等會累積在體脂肪跟骨骼裡的高親脂性毒物，那就算怎麼喝冷壓果汁也沒有用的。

聽起來微文青的輕斷食，起源於「五比二輕斷食」：五天正常用餐，接下來兩天則接近禁食，只吃每日建議熱量的四分之一。

但這篇文章《破解減重飲食法》提到：「2005年7月發表於《美國臨床營養期刊》（AJCN）的研究顯示，長期看來，「持續」的節制飲食比較容易減重成功：天天節制飲食的參與者在一年內體重變化維持於2.2公斤內的可能性，是週間嚴格控制飲食者的1.5倍。因此，這個方法可能短時間有效，不過長遠來看，持續控制似乎比較有勝算。美國伊利諾大學的研究人員在2014年的文獻回顧中提到，每天限制攝取熱量仍然是比禁食更有效的減重方式。」

所以想減肥與其依賴斷食，不如還是持續控制熱量吧！

說了那麼多，難道冷壓果汁喝不得嗎？判斷它值不值得一瓶兩百多元，這就是你們的事了。

• 本文由泛科學編輯室編輯整理相關資料（鄭國威、雷雅淇），部分內容改寫自專欄作者葉綠舒部落格文章：冷壓果汁是什麼？為什麼那麼貴？真的有那麼棒嗎？

其他參考資料：

• What is High Pressure?
• Nobody Can Prove That Cold-Pressed Juice Is Better for You. [04.07.15] Wired.
• Study: two-thirds of gluten-sensitive people had no ill effects when given gluten. [1 SEP 2015] Science alert.
• 破解減重飲食法。 [2015/04/30|] 泛科學。
• 高壓加工技術在農產食品的應用。行政院農委會。

你處於廣闊的開放空間，狹窄，或是封閉的空間時，會焦慮嗎？那很高的地方呢？唉噁！還是有蜘蛛出沒身邊時？如果這種恐懼常發生，且讓你全身無力，那你可能有恐懼性焦慮障礙（phobic anxiety）。而且你並不孤單－－至少有8％的美國人對至少一種東西有恐懼性焦慮障礙。

這些心理壓力可能會對身理健康造成傷害。一項新研究顯示，嚴重的恐懼性焦慮障礙會加速生物老化－－且可能對中年及年長女性造成相關的健康問題。

有些人會思考壓力到底會不會加速老化，及其中原因，此研究的共同作者，位於波士頓布里格姆婦女醫院的心理學家Olivia Okereke在一份早先的聲明中提到。因此她與同事著手測試這個想法。

此研究檢驗了血液樣本及5243位（42歲到69歲）參加Nurses Health Study女性的研究結果，發現恐懼性焦慮障礙程度最高的女性擁有與自身年長六歲女性相同的生物標誌（biological markers）（即她們出現較為老化的生物標誌）。研究結果七月十一日線上刊登刊於《PLoS ONE》上。

Okereke與同事特別研究了端粒（telomeres）－染色體尾端，能夠保護基因訊息在細胞分裂時不會遺失。當我們老化，端粒會自然縮短。科學家認為縮短的現象是由氧化壓力（oxidative stress）及發炎造成。與同齡對照下，較短的端粒有可能會有較高機率罹患心臟疾病、癌症，及失智症。

這個新研究顯示，一種普遍的心理壓力－恐懼性焦慮障礙－及能解釋提早老化的合理機制之間的關連，Okreke說。她指出現今的研究都沒有仔細測試是否焦慮會造成較短的端粒。她和另一位共同作者在研究中寫到，即使這文獻資料仍在早期的研究階段，其中還是有生物合理性（biologic plausibility）來支持焦慮與較短端粒間的關連，特別是透過氧化壓力及發炎。

恐懼性焦慮障礙通常發於早年，且較常發於女性。但往好的方向來看，恐懼性焦慮障礙是可治療的。若恐懼症確實縮短了端粒，藉由治療焦慮現象，端粒也可能能控制提早老化，及危害千萬人的相關疾病。

資料來源：Major Phobias Might Hasten Aging. [Scientific American. July 11, 2012]