養出寶寶的免疫力！HMO 母乳寡糖與核苷酸是母乳保護力的關鍵

• 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《保護力GET！掌握成人疫苗，減輕疾病嚴重度、降低死亡風險，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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「疫苗是人類醫療史上非常重大的成就！」台大醫院小兒部感染科呂俊毅主任表示，「因為疫苗可以讓人跳過被感染的過程，就能對特定傳染性疾病產生免疫力，減少感染引起的重症與死亡。」

在過去很多嚴重的疾病，例如天花、小兒麻痺等，都在疫苗普及後，得到控制、甚至根除。呂俊毅醫師指出，現在的兒童在出生後都會依照時程施打各種疫苗，幫助小朋友能夠平安、健康的長大。

疫苗是維護健康非常重要的一環，呂俊毅醫師表示，隨著疫苗科技越來越進步，能夠利用疫苗預防的疾病也越來越多，現在不只兒童，成年人也需要施打許多疫苗。

因為成年人和兒童好發的疾病不一樣，需要接種的疫苗也有所不同。呂俊毅醫師說，例如流感疫苗不管兒童或成人，都需要每年施打；至於小兒麻痺疫苗，只要在小時候接種即可。

隨著年紀越來越大，我們的免疫力會越來越下降，而且經常伴隨糖尿病、高血壓、高血脂、腎臟病、心血管疾病等慢性病，使得一些年輕人不容易得到的傳染性疾病，在老年人就容易發生，且可能產生嚴重併發症，所以需要額外的保護。

帶狀疱疹發作，恐引發嚴重神經痛後遺症

帶狀疱疹是老年人容易遭遇的問題，帶狀疱疹是由水痘—帶狀疱疹病毒（Varicella-Zoster virus）感染所造成的疾病，呂俊毅醫師解釋，小時候感染水痘病毒會長水痘，在水痘康復後，病毒會潛伏在身體裡面。等到年紀較大、免疫力下降時，病毒會再度活化，長出帶狀疱疹。

帶狀疱疹發作時，往往是在單側體表有一個區域發紅、冒出水泡，而且造成刺痛、灼熱、麻癢等不適。呂俊毅醫師說，對老人家而言是常見的困擾，因為帶狀疱疹發作時會很痛，但在水泡好了之後有些患者還會出現後遺症，持續痛很久，稱作「帶狀疱疹後神經痛」。

帶狀疱疹後神經痛可能很嚴重，痛到難以入眠，影響生活品質，而且有可能會持續數個月至數年之久。呂俊毅醫師說，施打帶狀疱疹疫苗，有助預防帶狀疱疹後神經痛。目前有兩種帶狀疱疹疫苗，50 歲以上或屬於高危險群之民眾可以考慮接種；無論是否得過水痘或帶狀疱疹，都能夠施打。

善用疫苗，預防重症

流感是由流行性感冒病毒引起的傳染病，可能導致頭痛、發高燒、全身痠痛，症狀會比一般感冒嚴重許多。呂俊毅醫師說，兒童與老人在得到流感後，容易併發肺炎、腦炎、心肌炎等嚴重併發症，可能導致死亡。

接種流感疫苗，有助預防流感，並降低重症發生的機率，呂俊毅醫師說，由於流行性感冒病毒容易產生變異，每年流行的病毒株皆不太一樣，而且流感疫苗產生的免疫力會慢慢消退，所以每年都要施打流感疫苗，才能獲得保護力。

肺炎鏈球菌也是很重要的疫苗，呂俊毅醫師指出，兒童與老人都是肺炎鏈球菌的易感族群，感染肺炎鏈球菌後，容易引發中耳炎、肺炎、腦膜炎、敗血症等。

國內外在推動兒童肺炎鏈球菌疫苗接種之後，成效相當顯著，呂俊毅醫師說，過去常見的肺炎、敗血症、腦膜炎等，都減少許多。65 歲以上或屬於高危險群的民眾，建議施打肺炎鏈球菌疫苗。

研究顯示，新冠肺炎 COVID-19 疫苗可以降低重症發生的機率、減少死亡率，符合接種資格的民眾，也建議要及早接種新冠肺炎疫苗。

預防傳染性疾病，請你這樣做

為了預防傳染性疾病，我們要依照建議施打疫苗，並且戴口罩、勤洗手，盡量避開人潮，降低接觸病原的機會。呂俊毅醫師提醒，日常生活中，要有均衡營養、充足睡眠、規律運動，把血糖、血壓、血脂控制達標，讓身體維持在較健康的狀態，才有較好的免疫力。

小朋友要按照兒童健康手冊的規劃依序接種各種疫苗，呂俊毅醫師說，至於成年人可以和您的醫師討論，根據建議接種，流感、帶狀疱疹、肺炎鏈球菌、破傷風、百日咳、A 型肝炎、人類乳突病毒等疫苗，讓身體能夠預做準備，擁有保護力，才能在遭到感染的時候，減輕疾病嚴重度、降低死亡風險！

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口罩政策鬆綁，你的防疫心態是否也鬆綁了呢？隨著邊境與口罩的逐步解禁，提升自身防護力、鞏固家人與自己的健康更加重要。

尤其是在後疫情時代（防疫大戰尚未結束、流感又來勢洶洶），若想回歸正常生活、安心出門旅遊的話，完整均衡的營養素是鞏固免疫力的不二法門。其中，攝取綜合維他命是個不錯的方法

根據醫學研究顯示，維生素 A 可以幫助白血球生成，增進皮膚與黏膜健康；維生素 E 擁有抗氧化力，能清除對人體有害的自由基、還能抗發炎與提升免疫力；維生素 D 則可以調節基因表現與細胞機能，增強先天免疫與抗菌力！礦物質鋅 Zn 可以幫助製造抗體與 T 細胞增生，增加人體免疫功能；維生素 C 可幫助抗發炎，幫助細胞免疫，緩解身體不適感。

維生素與礦物質都是人體所需營養素，有助於維持各項生理機能，均衡飲食與規律的運動有助於維持身體健康。最後，日常防護還是建議勤洗手、戴口罩，並盡速接種疫苗，降低疾病風險唷！