平時沒感覺，破了就要命的腹主動脈瘤

• 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。

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《微創鑰匙孔開顱手術，攻克顱底腫瘤與腦動脈瘤》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
• 加入照護線上 LINE 官方帳號，健康資訊不漏接

劉育志醫師：大家好，我是劉育志醫師，歡迎林亞銳醫師來到照護線上。

林亞銳醫師：大家好，我是林亞銳醫師。

劉育志醫師：請問顱底腫瘤可能產生哪些症狀？

林亞銳醫師：基本上顱底腫瘤會牽涉到顱底的一些神經跟血管，所以大部分造成的症狀，都是顱神經的症狀，比如說壓迫到視神經，就會造成視線的模糊，壓到眼球運動的神經，就會造成複視的狀況，如果壓到聽力、顏面神經，就會有一些相對應的顏面神經癱瘓，或是聽力受損，進而如果是在比較接近頸椎的部分，有時候就會有吞嚥，跟聲音沙啞的狀況，因為顱底也有一些腦幹的解剖構造，所以也會造成步態偏移的症狀。

劉育志醫師：顱底腫瘤的手術會面臨哪些挑戰？

林亞銳醫師：顱底腫瘤附近有很多重要的神經血管，因此要在這些重要的神經血管中，移除腫瘤，同時保存這些重要的神經血管，這是其中最重大的挑戰。

劉育志醫師：目前有哪些工具，能輔助顱底腫瘤的手術？

林亞銳醫師：以顱底手術而言，都會需要借助高畫質的顯微鏡，可以幫助我們更清楚，分辨重要神經血管的位置，跟腫瘤相對應的關係，也必須藉由一些高速的氣鑽，幫助我們將旁邊的一些骨頭移除，才可以把腫瘤安全的拿掉，其中當然還是需要一些，精密的術中神經功能監測，可以讓我們在手術中，更能知道重要的血管，或是重要的神經的位置，這樣我們就可以更放心，把腫瘤移除。

劉育志醫師：請問什麼是微創鑰匙孔開顱手術？

林亞銳醫師：顧名思義就是藉由比較小的傷口，以一個像鑰匙孔大小的開顱手術，來進行腫瘤的移除，因為電腦斷層跟磁振造影，影像的進步，讓我們可以知道這些腫瘤附近，有沒有重要的神經血管，再經由比較高畫質的顯微鏡，我們就可以經由比較小的傷口，去看清楚腫瘤的位置，也在手術的切除過程當中，可以更安心的把周圍的神經血管看清楚，可以更小心的剝離，達到微創的開顱手術。

劉育志醫師：相較於傳統手術，微創鑰匙孔開顱手術有哪些優勢？

林亞銳醫師：傳統的開顱手術通常傷口會非常大，也會將骨頭做大規模的移除，這樣來講病人的失血量，跟未來的美觀上面，都會遭受到很大的影響，因此現在有微創的開顱手術，傷口可以縮小到 3 至 5 公分，骨頭可以只鋸掉大概 2×2 公分的大小，經由這個切口就可以進去移除腫瘤，這樣對於病人來講，未來的外觀上面會相當美觀，整個手術的進行，也會讓失血量相當少，病人的恢復也會相當快，可以把住院的天數也同時縮短，優點很多。

劉育志醫師：請問微創鑰匙孔開顱手術，會如何進行？

林亞銳醫師：我們通常是藉由眉毛上面，劃一個 3 至 5 公分的切口，把傷口藏在眉毛裡面，從這邊去做一個小的開顱，進而進到我們的顱底，可以經由這麼小的傷口，移除一個相當巨大的顱底腫瘤。

林亞銳醫師：有一位大概 50 幾歲的男性，因為頭暈、頭痛就到急診求診，同時伴有噁心、嘔吐、視力模糊，做電腦斷層，發現有蜘蛛網膜下腔出血，這種最常見的就是動脈瘤破裂出血，因此在急診，我們就有給他做電腦斷層的血管攝影，電腦斷層的血管攝影，發現他有前交通動脈瘤的破裂，在它旁邊剛好也有一顆小顆的動脈瘤，因此他同時有兩顆動脈瘤，因為位置正好在附近，我們就進行了鑰匙孔開顱手術，去針對這兩顆動脈瘤做夾閉的手術，進行的過程非常順利，病人恢復也很快，在術後的第一天，就從加護病房轉到普通病房，並在術後的第七天就出院回家，現在在門診追蹤都恢復得相當好，傷口也相當美觀，病人相當的滿意。

林亞銳醫師：微創鑰匙孔開顱手術，從 2011 年開始引進林口長庚，至今我們大概已經有累積將近 200 個病例，隨著技術的成熟與演進，目前我們已經將微創鑰匙孔開顱手術，應用在很多，除了腫瘤之外，包括動脈瘤的手術上面，如果我們經由一個微創鑰匙孔開顱手術，讓病人可以恢復得很快，以外科手術來夾閉動脈瘤，會讓動脈瘤的復發率降到最低。

劉育志醫師：感謝林醫師來到照護線上，我們下次再見，掰掰。

林亞銳醫師：掰掰。

• 本文轉載自 Care Online 照護線上《微創鑰匙孔開顱手術，攻克顱底腫瘤與腦動脈瘤》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
• 加入照護線上 LINE 官方帳號，健康資訊不漏接

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《致命的主動脈剝離與主動脈瘤，微創主動脈支架手術治療解析，心臟血管外科醫師圖文說明》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
• 加入照護線上 LINE 官方帳號，健康資訊不漏接

「醫師，我爸剛剛在家突然說肚子很痛，然後就倒在地上。」家屬焦急地說明事發經過。70 多歲的老先生虛弱地躺在急診推床上，顯得很不舒服。

「現在的血壓 68／40mmHg！」護理師大聲回報數據。

「你父親有什麼疾病嗎？」醫師問。

「有高血壓，但是不願意吃藥。」家屬補充說明，「很常抽菸，一直都戒不掉。」

老先生的腹部劇痛、明顯鼓脹，血壓又很低，代表可能有大量內出血的狀況。林口長庚心臟外科教授陳紹緯醫師指出，緊急電腦斷層檢查顯示，患者有顆腹主動脈瘤，而且已經破裂，造成大量內出血。

經過討論後，家屬決定選擇微創主動脈支架手術。陳紹緯醫師回憶，緊急放入主動脈支架後，患者的狀況漸漸穩定下來。因為幸運撿回一條命，患者的態度變得相當配合，願意定期回診，把血壓控制好，甚至還成功戒菸！

主動脈與心臟相連，是負責將血液送往全身的大動脈。陳紹緯醫師指出，主動脈可以分為幾個部分，一開始是往上的「升主動脈」，接著經過「主動脈弓」，然後是向下延伸的「降主動脈」，穿過橫膈膜到達腹腔後稱為「腹主動脈」。

常見的主動脈疾病包括主動脈剝離、主動脈瘤。陳紹緯醫師說，主動脈剝離在亞洲人較常見，主動脈瘤西方人較常見。

談到「主動脈剝離」，要先了解主動脈的結構。陳紹緯醫師解釋，主動脈壁的結構可分為內層、中層、外層，當內層破損時，血液可能灌入主動脈壁內，將主動脈壁撕裂、撐開，形成「假腔」。假腔會對血流能夠通過的真腔造成壓迫，而影響通往各個器官的血流。

主動脈剝離發生時，患者會突然感到非常劇烈的胸痛，從前胸痛到後背。陳紹緯醫師說，根據剝離的位置可將主動脈剝離分成「甲型主動脈剝離（Type A）」與「乙型主動脈剝離（Type B）」，剝離範圍包括升主動脈稱為「甲型主動脈剝離（Type A）」，剝離範圍僅降主動脈稱為「乙型主動脈剝離（Type B）」。甲型主動脈剝離是威脅性命的急症，死亡率相當高，很多患者會在發作時猝死。

「主動脈瘤」並不是腫瘤，陳紹緯醫師說，我們的主動脈會長期承受血流衝擊，當主動脈壁退化，便可能漸漸膨大。主動脈各處都有可能形成主動脈瘤，像氣球般越脹越大的主動脈瘤，破裂的風險會越來越高。主動脈瘤的危險因子包括老年人、高血壓、抽菸、家族病史等。

治療主動脈疾病，化解危機

處理主動脈疾病時，一般會根據病灶的位置來採取不同的治療策略。

甲型主動脈剝離（Type A）或升主動脈瘤的治療方式建議採取標準外科手術，切掉剝離或脹大的主動脈，然後換上一段人工血管。陳紹緯醫師說，乙型主動脈剝離（Type B）或腹主動脈瘤可考慮使用微創主動脈支架手術，若發生在降胸主動脈，可使用胸主動脈支架；若發生在腹主動脈，會使用 Y 型支架。

主動脈支架手術是微創血管內治療，近年來已發展成熟並普遍運用於主動脈疾病。陳紹緯醫師說，藉助先進影像系統的導引，可在主動脈內放置人工覆膜支架，讓血流走在主動脈支架內，隔絕病變的主動脈，如此一來便能避免主動脈破裂、剝離而造成致命併發症。

微創主動脈支架手術的作法是從患者的腹股溝穿刺，將導線延伸到病變的主動脈，然後利用導管傳送系統，將主動脈支架精準地置放於主動脈病灶處。

陳紹緯教授說，相較於傳統開胸、開腹手術，微創主動脈支架手術能大幅降低手術風險，因為術中失血量較少、傷口很小，讓患者術後疼痛較少、恢復期較短。

微創主動脈支架手術後，有可能發生滲漏或支架移位，患者一定要定期回診追蹤檢查。陳紹緯教授叮嚀，平時請保持良好的血壓控制，改善生活習慣，才能降低疾病復發的危險。由於每個人的年紀、解剖構造、手術風險都不相同，醫師會在審慎評估、詳細討論後，擬定較合適的治療策略。

貼心小提醒

常見的主動脈疾病如主動脈剝離、主動脈瘤，較容易出現在男性、年紀較大、高血壓、抽菸、有家族病史的族群。

陳紹緯提醒，主動脈剝離或主動脈瘤破裂往往是突然發生且相當致命，大家最好把菸戒掉，把血壓控制好，才能降低可能的風險。具有危險因子的民眾可以到心臟血管外科就診，接受專業的評估，及早介入才能化解危機！

• 本文轉載自 Care Online 照護線上《致命的主動脈剝離與主動脈瘤，微創主動脈支架手術治療解析，心臟血管外科醫師圖文說明》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
• 加入照護線上 LINE 官方帳號，健康資訊不漏接