動物中也有「左撇子」

• 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。

中歐國家斯洛伐克西南部，緊鄰匈牙利的邊界上，有個人口約3萬幾千人的小鎮，叫作 Komárno。^[1-3]農夫 Balints Pam 在當地種植罌粟已有多年，卻是第一次見到這種景象：^[4]根據歐洲的新聞媒體報導，由於近年氣候變化，喀爾巴阡山脈地區冬季溫暖，許多野生天鵝全年滯留，不再隨季節移動。^[4]候鳥遷徙的主要目的為覓食，^[5]既然不走了，缺乏食物的時候，多少便去田裡逛逛。Balints Pam 的作物當然也難逃一劫。^[4]

罌粟

在罌粟屬（Papaver）之下，鴉片罌粟（Papaver somniferum L.）和渥美罌粟（Papaver setigerum D.C.）這兩個種，皆含有嗎啡（morphine）、可待因（codeine）、蒂巴因（thebaine）、那可汀（noscapine或narcotine）與罌粟鹼（papaverine）。不過，以上 5 個鴉片生物鹼（opium alkaloids）在鴉片罌粟中的含量，均勝過渥美罌粟。^[6]因此，作為經濟作物，種植前者才划算。

鴉片罌粟的花瓣脫落後 5 至 10 天，可以收成其蒴果中的乳膠，乾燥即為鴉片（opium），也就是萃取嗎啡等藥物的原料。如果整株草本植物擺著任它繼續長，接下來在成熟的蒴果裡，便會有能以機器採收，適合做麵包及糕點的罌粟籽。1970 年代以前，人們以為乳膠流完才生出來的罌粟籽，不含藥用成份。後來才發現，原來它們亦有鴉片生物鹼，吃了藥檢也會呈陽性。好在經過清洗和其他處理後，含量會降低。科學家推測，這是因為罌粟籽在蒴果裡成長時，只是外面沾到乳膠，內部並不受影響。^[6]

捷克與斯洛伐克一帶，常見的鴉片罌粟品種裡，^[註1]11 個得在春季播種；另外 3 個則於冬季種植。^[7]若在 2 月底到 3 月初，埋下前者的種子；大約同年 7、8 月，即可收成。^{[8, 9]}2023 年 2 月，滂沱降雨在 Balints Pam 的田裡，匯成一潭大水窪。飲水和春芽引來了野生天鵝。^[4]

經濟損失

前述的種植、採收與清洗等方法、程序和注意事項，是給人類參考的；入侵Balints Pam家罌粟田的天鵝，才不管那麼多。牠們從根到花，一網打盡。^[4]以成年的疣鼻天鵝（mute swan；學名Cygnus olor）為例，一隻體重約 11 到 19 公斤，每日食用的植物可達 4 公斤重。^{[10] [註2]}牠們從零星造訪，到呼朋引伴，最後毒癮已深，對罌粟田趨之若鶩，流連望返。4 個月下來超過 200 隻天鵝，破壞了 5 公頃的田地，造成 Balints Pam 約 1 萬歐元的損失。更慘的是，由於以往牠們極少傷害作物，所以斯洛伐克的農業保險和國家補償，都不涵蓋此項。^[4]

嗑毒的鸚鵡

全球許多地方均有合法的罌粟種植產業，例如：中南美洲、加拿大、澳大利亞、印度、中國、羅馬尼亞、匈牙利、伊朗、土耳其、西班牙、法國、英國、荷蘭、奧地利、德國、波蘭、捷克和斯洛伐克等。^{[6, 11]}其中印度也有類似的案例，不過搞破壞的是鸚鵡。^[12]

2015 年該國的某些罌粟田，開始有鸚鵡出現。2017 年政府為此發出警告。然而鸚鵡聰明絕頂，刻意降低行動的音量，並選在農夫劃開蒴果後進攻。當農地採用擴音廣播嚇阻，癮頭難戒的鸚鵡不僅沒嚇得鳥獸散，還拿出鳥窮則啄的決心，力拼到底。^[12]且不論這驅趕成效有多失敗，為何同樣遭殃，斯洛伐克農夫 Balints Pam 卻沒有積極抵禦？

垂死的天鵝

天鵝在斯洛伐克屬於保育類動物，別說舉槍射殺，就連攪擾都算違法。因此，這則關於天鵝的故事，雖不如《天鵝湖》般淒美，但註定是齣悲劇。Balints Pam 田裡的天鵝疲倦、恍惚，飛不起來，而且即至 2023 年 6 月為止，已有幾十隻中毒身亡。^[4]那麼現在該怎麼辦呢？

「農民應該申請下一季的豁免權，以便驅離鳥類。」自然保育部門的官員口氣事不關己：「早在那裏的就用手趕走，除此以外別無他法」。^[4]事發 4 個月後，Balints Pam 終於獲得許可，請動保人員來把天鵝抓去勒戒。^[13]

備註

1. 品種（varieties）是種（species）下面的分類。^[14]
2. 網路上的中、英文新聞報導，似乎都沒指出種類；但是從參考資料 13 的影片看來，像是疣鼻天鵝。

參考資料

1. “Komárno“. (29 OCT 2014) Encyclopædia Britannica, UK.
2. European Union. ‘Komárno’. Travel to Slovakia. (Accessed on 20 JUN 2023)
3. ‘Nitriansky kraj – Characteristic of the region’. (24 FEB 2023) Statistical Office of the Slovak Republic.
4. ‘In Slovakia, swans became “drug addicts” after feasting in a poppy field’. (11 JUN 2023) Baltics News, Estonia.
5. Ramon A. (17 FEB 2021) ‘Climate change affects birds in Europe and North-America differently than in the Mediterranean, and could expose them to a climate trap’. CREAF el Blog, Spain.
6. Carlin MG, Dean JR, Ames JM. (2020) ‘Opium Alkaloids in Harvested and Thermally Processed Poppy Seeds’. Frontiers in Chemistry, 8:737.
7. Mikšík V, Lohr V. (2020) ‘The Czech Republic Producer of Breadseed Poppy’. Ministry of Agriculture of the Czech Republic.
8. ‘Farmers’. Sotiva Seed Ltd, Hungary. (Accessed on 20 JUN 2023)
9. Košťál D, Čechovičová G. (07 MAY 2019) ‘Traditional and More Desired Poppy’. Grand Magazine, Slovakia.
10. ‘Invasive species: mute swan’. (15 JUN 2017) Environment and Climate Change Canada, Government of Canada.
11. Yazici L. (2022) ‘Influence of different sowing times on yield and biochemical characteristics of different opium poppy (Papaver somniferum L.) genotypes’. Journal of King Saud University – Science, 34(8):102337.
12. Felton J. (02 MAR 2019) ‘Opium-addicted parrots are wreaking havoc on poppy farms in India’. Business Insider, U.S.
13. Curr M. (14 JUN 2023) ‘Poppy-addicted swans go cold turkey’. Deutsche Welle, Germany.
14. Oxford University Press. ‘Variety’. Oxford Reference, UK. (Accessed on 21 JUN 2023)

從日本的人口總數來看，左撇子的比例大約有 10 ％。

那麼，左撇子和右撇子是如何決定的呢？

右撇子有演化上的原因嗎？

關於決定慣用手的因素，有好幾種說法。

首先是人類的心臟偏左側，所以需要在保護自己要害的同時用右手作戰，所以右撇子才會越來越多。另一個是環境因素，因為早在石器時代就已經有很多右撇子，才做了很多右手使用的工具。還有個說法是人類為了運用更複雜的工具來打獵，開始需要透過語言溝通交流，於是屬於語言腦的左腦較為發達的人，才會經常運用可以控制左腦動向的右手。

基因的角色

為何在人類進化的過程中右撇子越來越多，目前還沒有找出確切的原因。

不過，我認為決定右撇子和左撇子的主因，多半是取決於基因的影響。

根據麥克麥納斯．I．C 和 布萊登．M．P 在 1992 年的統計結果，雙親都是右撇子的話，孩子是左撇子的機率只有 9.5 ％。右撇子配左撇子的父母，則是有 19.5 ％ 的機率生出左撇子；而父母都是左撇子的話，孩子有 26.1 ％的機率是左撇子。

實際上我的家人也是，我的兒子是左撇子，妹妹的兒子也是左撇子，感覺得出來有左撇子的家庭比較容易生出左撇子的孩子。

但是，現在尚未發現可以決定慣用手的基因。

不過，目前已經慢慢證實左撇子擁有特定的基因群組了。

應該有不少人在孩提時代是左撇子，卻被迫矯正成右撇子吧。我原本也是左撇子，曾有一段時期很討厭自己無法跟別人一樣任意活動右手，所以才自己學會使用右手。

總而言之，現階段已經可以得知，決定慣用手的因素除了遺傳以外，還有出生後的環境影響。

——本文摘自《左撇子的隱形優勢：看過上萬人腦部影像的名醫教你將天賦才華發揮到120%的關鍵》，2022 年 3 月，如何出版，未經同意請勿轉載。