hTC上太空

• 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。

文／黃正中｜國家太空中心研究員

福爾摩沙五號衛星在新竹科學園區的整合測試，已經接近尾聲，預定在今年五月運往美國加州，太平洋海岸邊的范登堡火箭發射場，進行發射前的健康檢查，然後搭乘由美國 Space X 公司所建造的獵鷹九號（Falcon 9）火箭升空。

福衛五號是我國自製的遙測衛星，搭載高解析度的彩色相機以外，以及中央大學研製的先進電離層探測儀（AIP）。國內已經有許多福衛五號的相關文章與報導，所以這一次我們把焦點放在即將與福衛五號搭乘同一班火箭升空的小夥伴們。

火箭也可以變成「公車」　衛星們在不同地方下站

此行升空的火箭搭載包括福衛五號在內，總計有88顆衛星一齊升空，可能創人類有史以來，最多衛星搭乘同一個火箭升空的紀錄。除此之外，還有許多創新技術，包括製造廠商 Space X 公司預計在火箭發射過程中，第一、二節火箭分離之後，回收第一節火箭；第一節火箭重新整理後可望再次使用，並降低商用火箭發射費用。

這一次獵鷹九號的整流罩裡面，有兩個主要的火箭酬載銜接環，樓上搭乘的是「福衛五號衛星」，樓下搭乘的是夏爾巴（SHERPA）銜接環。這是美國一間名為太空飛行公司（Spaceflight Inc.）發明衛星的衛星彈射設施，這種銜接環能提供大量奈米、微衛星安全的空間，以及抵達軌道以後將衛星彈射釋出到太空的「微衛星搭乘艙」。銜接環能提供火箭與衛星的電機控制介面，並且能監控衛星的健康狀態，回報控制中心，這種創新、低價格的發射服務，在市場上相當有競爭力。

SHERPA（夏爾巴）或稱為雪巴人，是一支散居在喜瑪拉雅山脈兩側的民族，堅忍耐勞，為挑戰喜瑪拉雅山的登山客提供登山嚮導、背負重物、紮營等服務。太空飛行公司在 2012 年以此命名運載衛星送上太空的酬載設施，它提供標準空間尺寸，給需要搭乘火箭到太空的衛星，或其他任務所使用。

5、4、3、2、1 發射！

伴隨著轟隆隆的聲音，福衛五號和其他衛星，以拋物線軌跡從美國西岸的范登堡升空，面對太平洋，朝著南半球飛行。火箭發射後 11.3 分鐘，距離發射場約 1100 海里，就抵達 723 公里高的太空任務軌道，這時福衛五號衛星與火箭分離，開始進行早期軌道操作。

• 編按：范登堡原誤植為東岸，經讀者提醒修改。2018/7/10

其餘搭乘同一火箭的 87 顆衛星，將隨著火箭上夏爾巴酬載設施持續飛行。大約在發射後 60 分鐘抵達地球另一邊，非洲蘇丹的上空，此時夏爾巴與火箭分離，逐漸釋出衛星，各自執行太空任務。預估將花 45 分鐘的時間，釋放出所酬載的剩下 87 顆微衛星和奈米衛星。

87 顆衛星們要去哪裡？要做什麼？

這次火箭發射引發的關注，不只是我們心心念念福衛五號衛星能否順利發射，其他搭乘的87顆微衛星、奈米衛星來自全球各地，也陪著我們緊張、焦慮和興奮。87 顆衛星中有 3 顆微衛星以及 84 顆奈米衛星，它們所要執行的任務也相當有趣，以下介紹其中幾個它們的「超級任務」：

1. 生醫衛星—大腸桿菌上太空

首先介紹「大腸桿菌抗菌衛星任務（E. coli AntiMicrobial Satellite (EcAMSat) mission）」，這是生醫奈米衛星的太空實驗，也是本次發射任務的亮點之一。本計畫是由美國太空總署與史丹佛大學醫學院共同合作，調查大腸桿菌在太空微重力下，會如何影響它對抗生素產生的抗藥性。

大腸桿菌是人類腸道中最著名的細菌，主要生存於大腸內，一般不會致病，而且還能合成對人體有益的維生素 B 和 K。然而無害的大腸桿菌，在少數的情況下也會導致疾病，例如離開腸道進入泌尿道會導致感染，或者某些特殊的菌株具有毒性會導致痢疾等等。

面對這些疾病，需要使用抗生素對抗在身體中作亂的大腸桿菌，但在使用抗生素一段時間後大腸桿菌可能會產生抗藥性，影響藥效。大腸桿菌在微重力下，是否會使它的抗藥性改變，而成為太空人健康的隱憂，特別在長時間執行任務下，太空人的免疫系統可能逐漸減弱，更需特別注意這些潛在的健康問題。EcAMSat 實驗的結果將有助於在未來規劃太空任務中提出有效的對策，保障這些長時間、持續執行太空飛行任務的太空人健康回地球。

2. 太空資源衛星—尋找太空船的加油站

成立於 2012 年的美國行星資源公司（Planetary Resources），是一個年輕又有野心的太空探險公司。他們提出一個相當有遠見、大膽的想法——「地球資源有限，太空資源無窮」。

在太陽系，天文學家已經發現了約 127 萬顆小行星，其中某些小行星是由氫氣和氧氣所組成，而這是火箭燃料的必要元素。以火星探險計畫為例，未來太空旅行時，這些小行星可以成為太空旅行中途的「加油站」，提供所需的燃料或能源。這家公司看到了商機，他們開始為太空船或衛星探勘，了解太空中哪些小行星有大量的燃料或能源，可以做為未來太空船中途加油的供應站，因而創造了這個價值數十億美元的行業。

另外，最近高科技的發展，使得傳統以及通訊產業，對於鉑金屬需求越來越大，從催化轉化器、珠寶首飾，到電子、醫療器材、玻璃和渦輪葉片等等都需要。鉑金屬的主要來源為南非和俄羅斯，但已越來越難開採。不過，未來太空中的小行星可能成為稀有金屬的來源，甚至，只要找到一個直徑為 500 公尺、富含鉑金屬的小行星，開採到的鉑金屬就可能超越人類歷史上所有已開採的數量。

瞄準太空中無限的商機，本次火箭發射，行星資源公司代號 Arkyd 6A 的奈米衛星將隨之升空。衛星搭載的酬載儀器是中波段的紅外成像系統（mid-wave infrared imaging system），可以用來偵測小行星的礦產以及水的含量，任務初期將先以瞄準地球特定區域探勘作為測試，這次任務若順利，未來才能實際運用在探勘小行星上。

3. 太陽帆衛星—太空船也能靠「風」航行

夜晚遙望蒼穹，激起人們挑戰太空，探索未知世界的雄心壯志，然而實際要探索太空需要攜帶大量的燃料，才能進行遠距離的太空旅行，所費不貲。科學家們為了解決這樣的困境，他們從風箏的飛行得到靈感，希望仿效「海上風帆」藉由風力這種外在動力，來達到在太空自由活動的想法。他們思考，若可以設計一個人造衛星，利用「太陽風」這種無窮盡的高速電粒子流來自由移動，降低對於燃料的依賴，是否可能成功呢？

這一次伴隨福衛五號升空的衛星中，有個名稱為「CNU 帆奈米衛星（CNUSail Cubesat）」的太空計畫。當火箭抵達太空以後，邊長約 13 公分的立方型奈米衛星，將在太空中展開約 300 公分長對角線的「太陽帆」，「太陽帆」是以超薄的薄膜材料所構成，利用控制衛星「太陽帆」與「太陽風」的夾角，進行變換衛星軌道高度的實驗。

傳統上，衛星所攜帶的燃料多寡，是衛星任務壽命的關鍵，假如「太陽帆」實驗成功，理論上除非衛星上的元件故障，衛星將可以長期運作不退休。

4. 雙星計畫—兩個衛星，一台望遠鏡

這次獵鷹九號火箭，搭載很特別的「雙星實驗」計畫，包含一大一小的兩顆名為 CANYVAL-X 奈米衛星，將發射到太空之中，研究靠近明亮的恆星系統旁邊的行星，或難以捉摸的日冕現象。

「雙星計畫」特別的點在於，這兩顆衛星——小的有反射光線的設施，大的帶有光學電子取向單元（Electric Unit）具有偵測的效果，當兩顆衛星進入太空以後，小顆的奈米衛星翻滾的過程，會使用偵測器找到並鎖定兩倍大體積的另一顆衛星，共同組成光學的虛擬望遠鏡。由於光學儀器無法直接觀察明亮的光源，因此這個計畫非常有創意的採用雙星位置的移動，達成「掩星」的條件，從而研究遠方行星的成分。另外也可以利用雙星相對運動，研究太陽的日冕大小。

5.鳳凰計畫—修復太空中壞掉的通訊衛星

即使再高價製作的人造衛星用久了、壞掉了，依然會變成太空垃圾，這時該怎麼辦呢？這一次，有一顆「喚醒微衛星（eXCITe microsatellite）」將伴隨福衛五號升空。這是「美國國防高等研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）」推出的計畫，目標是將太空中壞掉的通訊衛星改造修復。這個活化衛星的「鳳凰計畫」具有劃時代的意義。

這一次是鳳凰計劃的第一階段測試，主要的構想是使用太空機器手，組裝稱為「衛星模組（satlets）」的模組化零件。每個零件重約 6.8 公斤（15 磅），分別是主要的衛星次系統，例如電源，控制器和傳感器等等。一旦任務所需，能夠快速的反應，將所需要的次系統運送到太空軌道，快速提供零組件，用以佈署和維修損壞的衛星。

同一個火箭就有帶有這麼多不同任務的衛星，這代表太空還有許多新領域等著我們去探索！除了去了解和認識其他國家有什麼創意思考外，我們也可以想想台灣要如何在這場激烈的國際太空競賽中出奇致勝！