乖乖測血糖，為何控糖還是不達標？

• 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《血糖超標，傷心、又傷腎！糖尿病治療不是只有看血糖，善用藥物保護器官，專科醫師圖文解析》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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50 多歲李先生有糖尿病，但是因為沒有明顯症狀，就沒有好好服藥，平時的血糖控制不甚理想。台灣基層糖尿病協會理事長李洮俊醫師指出，長期血糖超標會對心臟、腎臟造成傷害，所以患者在一次感冒之後，病情急速惡化，出現雙腳水腫，走路也會喘。

經過治療，狀況穩定下來後，患者才終於體會到控制血糖的重要性。李洮俊醫師說，由於有蛋白尿，且心臟功能、腎臟功能較差，所以有搭配口服 SGLT2i 抑制劑幫助控糖，希望在控糖的同時，也能夠發揮保護心、腎功能的效果。

想要把血糖控制好，除了按時服藥之外，還要做好飲食管理、規律運動，維持良好的生活習慣，並持續監測血糖。台灣基層糖尿病協會常務理事徐慧君衛教師說，因為糖尿病可能導致急性或慢性併發症，所以要留意各種併發症、定期接受檢查，才能早期發現、早期治療。

「長期處在血糖偏高的狀態，就像把心臟、腎臟、眼睛、血管、神經泡在糖水裡面。」李洮俊醫師說，「初期可能沒有明顯症狀，但是經過幾年後，便會出現併發症。」

心腎共病問題多，嚴重影響存活期

糖尿病的共病很多，包括高血壓、高血脂、腎臟病等。李洮俊醫師說，糖尿病患中每 10 個有 6 個高血壓，如果血糖沒有控制好，將使心臟衰竭、心肌梗塞、腦中風等風險上升，影響存活期。

腎臟病算是台灣的國病之一，透析發生率與盛行率相當高，在全世界名列前矛，其中約有一半的透析患者是糖尿病所導致。李洮俊醫師說，根據統計每 10 個糖尿病病患就有 3 個合併腎臟病變。早期的腎臟病變是出現蛋白尿，若長期控制不佳，腎功能就會漸漸惡化，最後會進入透析。

腎臟與心臟兩者的關係非常密切，心臟衰竭患者的腎功能通常不太好，相反的，慢性腎臟病患的心臟功能也會受到影響。

想預防心腎共病，必須了解心腎共病的危險因子。心腎共病的危險因子包括高血糖、高血壓、高血脂、抽菸、肥胖、缺乏運動、家族病史等。李洮俊醫師說，最好把血糖、血壓、血脂控制在正常範圍，並調整生活習慣，譬如戒菸、規律運動、健康飲食、正常作息、充足睡眠等，才能改善整體的狀態。

徐慧君衛教師說，「透過持續的衛教宣導，希望糖友與家屬都能認識糖尿病相關併發症，共同留意，並著手調整與改善。」

每天關心血糖，定期接受檢查

在血糖方面，一方面要按時服藥，做好飲食管理，並維持規律運動。另一方面便是定期接受檢查，包括抽血檢驗血糖、糖化血色素、血脂、腎臟功能等，尿液檢驗蛋白尿，眼底檢查評估視網膜的狀況。

「醫師在照顧糖尿病患的時候，都會盡量達到全人照顧，不只看血糖、糖化血色素，還會注意血壓、血脂，並定期安排心臟功能、腎臟功能、眼睛的檢查。」李洮俊醫師說，「提早發現慢性併發症的徵兆，才能及早介入治療。」

「慢性共病的篩檢是每個糖友的重要功課！」徐慧君衛教師提醒，「即使血糖控制得不錯，也必須定期追蹤檢查。」

不只控糖，還要保護器官

隨著醫學進步，大家對於糖尿病的認識越來越深入，控糖的觀念也持續進化。除了達到血糖目標（飯前血糖：80～130 mg/dL、飯後兩小時血糖：小於 180 mg/dL、糖化血色素 HbA1c：小於 7%），還會希望能夠保護器官，減少併發症發生的機會。

目前的糖尿病藥物，例如 SGLT2i 抑制劑等，有助降低心血管疾病風險（包括心肌梗塞、心血管疾病相關死亡、缺血性腦中風等），也可發揮保護腎臟的效果，延緩腎功能惡化，減少腎臟相關不良事件（包括血液透析／腹膜透析、腎臟相關死亡等）。

李洮俊醫師說，因為研究顯示 SGLT2i 抑制劑對於具有心腎共病的患者有顯著幫助，所以若是糖尿病病人有心腎共病的風險因子，或是已有心臟衰竭、腎功能損傷（包括蛋白尿、腎絲球過濾速率下降等），醫師大都會處方具有器官保護功能的藥物。

保腎護心卓越機構，糖友照護好夥伴

「心腎共病是非常重要的併發症，必需積極預防與治療！」李洮俊醫師強調，「透過定期追蹤、篩檢找到病人，並使用合適的藥物幫助病人。糖尿病的藥物持續在進步，糖友要跟醫療團隊密切配合，千萬別聽信偏方！」

台灣基層糖尿病協會致力於糖尿病照護，近年也持續積極推動「保腎護心卓越機構」認證。

李洮俊理事長說，「治療糖尿病不是只有看血糖，還需要針對各種併發症提供預防、篩檢。糖友們若對各種共病風險與慢性併發症有疑問，都可以就近到生活周遭的保腎護心卓越機構接受風險指數篩檢，讓專業醫療團隊成為您的慢性病照護好夥伴！」

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• 作者／劉育志 醫師
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目前在醫院服務的洪女士，一年前於健康檢查時發現自己有糖尿病，但一開始在用藥上卻遇到了難題。

「剛開始工作繁忙，經常忘記吃藥，後來更因為吃藥有時會腹瀉、甚至有低血糖，我就沒有定期服藥。」洪女士說，「直到有一次身體不適，經過醫師說明後，才了解沒有規律用藥容易造成血糖波動，不僅容易發生暈眩、疲憊等急性症狀，長期下來還會傷及心臟、腎臟、眼睛等人體重要器官。現在透過與醫師溝通調整藥物，避免藥物副作用影響我的生活，讓糖化血色素從剛確診時超過 7%，降至 6.1%。」

了解按時服藥的重要性後，為了讓自己能養成習慣，便設定鬧鐘防止自己忘記服藥。洪女士說，有了這個鬧鐘後，我不再忘記吃藥，也開始上網找尋資料，學習調整飲食、培養運動習慣，能夠與糖尿病和平共存。

建議各位糖友如果對於糖尿病友任何問題，除了在回診時詢問醫師，也可以使用糖尿病衛教學會推出的「糖尿病智慧好幫手」，裡面除了簡單易吸收的資訊，還會不定時更新糖尿病的觀念，如果提問還能得到及時回覆，不用等到回診時才詢問醫師，也能確保資料的正確性。

「剛確診糖尿病時不要害怕，現在的糖尿病治療已相當完善，原本覺得困擾的低血糖等藥物副作用都有解決辦法。」洪女士說，「遇到任何問題都可以與醫師討論，找到適合自己的控糖方式，養成規律用藥的習慣，相信大家都能成為模範糖友！」

糖尿病是一個全身性疾病，最主要是因為胰島素的相對或絕對不足造成血糖過高。天主教若瑟醫院新陳代謝科賴良宗醫師指出，在胰島素和其他血糖藥物尚未發明之前，糖尿病是個不治之症，很快就會邁向死亡。胰島素和其他血糖藥物的發明，幫助血糖穩定，扭轉了無數糖友的命運。

飲食控制、規律運動對糖友非常重要，藥物亦是不可或缺的角色，賴良宗醫師說，糖尿病藥物的種類非常多，醫師都會綜合評估糖友的狀況，包含年紀、生活型態等，並依照治療指引給予建議，幫助糖友一步一步的把血糖控制好，達到預防併發症的目標。

談到藥物，很多謠言會指稱「糖尿病藥物會傷身」，而誤導糖友自行將藥物減量甚至停藥，賴良宗醫師說，現代藥物的研發過程非常嚴謹，無論藥效、副作用都會經過臨床試驗評估。為了讓糖友長期使用，血糖藥皆必須達到足夠的安全性。如果在服藥過程中有任何問題，糖友都可以提出來跟醫師討論，切勿自行停藥。

為了方便糖友取得正確資訊，糖尿病衛教學會也有推出「糖尿病智慧好幫手」LINE 聊天機器人，只要加入 LINE 好友，便能提問並獲得學會把關的資訊。

糖尿病有年輕化的趨勢，年輕糖友越來越多，因為工作忙碌或在意別人的眼光，一些剛診斷糖尿病的人更容易輕忽血糖問題，而沒有好好控制。賴良宗醫師說，其實糖尿病初期還是要進行飲食控制、規律運動、體重管理，並依照醫師的指示使用藥物。如果沒有和醫師配合，可能就會面臨很多不必要的併發症，例如心衰竭、腦中風、腎臟病變等。

糖尿病的藥物種類很多，也持續進步，賴良宗醫師說，因為糖尿病最主要是胰島素不足，所以早期糖尿病的藥物就是刺激身體產生胰島素。使用刺激胰島素分泌的藥物時，必須按時服藥、按時用餐，否則可能產生低血糖的狀況。

現在的藥物採用不同的機轉來控制血糖，因此低血糖的發生率相對少很多，甚至有的藥物根本不會造成低血糖，安全性也有經過大型臨床試驗證實，即使是肝腎功能不佳的糖友也有對應的藥物選擇。因為藥物種類很多，醫師會綜合糖友的血糖狀況、生活型態、對治療的期待等因素制定合適的治療方案，幫助糖友達到控糖的目標。

「我們都一再提醒糖友，有問題要提出來討論，不可以擅自停藥。」賴良宗醫師強調，「自行停藥會讓血糖高高低低，對身體很不好。糖尿病併發症的發生，除了和血糖過高有關，也和血糖的波動有關。一旦出現併發症就難以逆轉，小血管病變如眼睛病變、腎臟病變，大血管病變包括心血管病變、腦中風、周邊血管病變，嚴重會失明、洗腎、截肢，甚至危及性命。」

讓糖友願意規律用藥一直是臨床上的挑戰，賴良宗醫師說，我們必須盡量引發動機，讓糖友理解控制血糖的目標在於減少併發症的出現。幫助糖友養成習慣，比較能維持治療。

如果因為工作忙碌，很容易忘記吃藥，可以考慮設定鬧鐘、使用手機 APP 提醒、或安排藥盒，這些都是能夠幫助規律用藥的實用小工具。

台灣的糖尿病病人中，糖化血色素能夠控制達標的比例大約 4 成，仍有進步空見，希望透過引發動機、養成習慣，希望能讓更多的糖友達成控糖目標！

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