香水巨擘的原點：法國卡布里小鎮的茉莉香——《香氣採集者》

• 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。

倫敦高級區梅費爾（Mayfair）的聯排透天洋房裡，他與屋主近身互動。六呎高，湛藍的雙眸，古銅的肌膚，寬闊的下顎，銀髮一絲不苟地貼齊，以及一縷迷人的香氣：肉桂、皮革和不可言喻的香味，他確定迎面襲來的深刻，源自另一個時空。

「當你嗅聞，你是用腦在聞。最原始的，處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋：「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味，那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談，讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客，而江湖人稱「香水界情色男優」（the Pornographer of Perfume）的屋主 Roja Dove，正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』，一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰，底蘊裡一丁點的『糞臭素』，便能喚起骯髒的慾望。」^[1]。

糞臭素是怎麼來的？

來到住處之前，兩人在麗池飯店（Ritz Hotel）旁的沃爾斯利餐廳（the Wolseley）用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質，分解成胺基酸（amino acid）。接著，腸道內的菌落會先進行「去胺作用」（deamination），用氫去代換胺基。於是，有一種叫做「色胺酸」（tryptophan）的胺基酸，就變成「吲哚-3-乙酸」（indole-3-acetic acid，簡稱「IAA」）。

再來，乳酸桿菌（Lactobacillus）、梭菌（Clostridium）和類桿菌（Bacteroides），透過「去羧作用」（decarboxylation；羧，注音ㄗㄨㄟ）把 IAA 中的羧基（carboxylic acid group）換成氫，人體內的「糞臭素」（skatole；即3-methylindole）就誕生了^[2][3][4]。

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前，Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙，讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺，並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據，把原料輕拍到試香紙上，再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉，微風迎面吹來，他便能感受這些原料的效果。

當然，調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」，而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪（Hermann Emil Fischer, 1852-1919）發明了「費雪吲哚合成」（Fischer Indole Synthesis）：一種苯肼（phenylhydrazine）和醛（aldehyde）或酮（ketone），透過酸觸媒（acid catalyst）催化產生的作用。一般罐裝糞臭素，便是這麼來的^[2][5]。

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成，長達一、二年後，每 3.4 盎司（100.55 毫升）要價 4 萬美元的訂製香水，才會被呈現在顧客面前。所幸，對花不起重金與不特別愛好香水的人來說，還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說，糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處：香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香，載舟亦能覆舟，令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵，在於濃度。像是過多的愛，使人無法擔待。以體積比來說，一旦超過 60 pptV（0.327 ng/L）^[註1]，就會開始臭得一去不返^[7]。如果以重量比計算，健康人體製造的糞便中，糞臭素濃度約為 5 μg/g，但消化道疾病患者，則可高達 80 到 100 μg/g^[註2]。換句話說，腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁，但至少能避免如廁之後臭名遠揚^[8]。

回顧過去的調香職涯，Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成，產地直銷，人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確，我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承，那是為了襯托自然的味道，但是如果大比例的使用人造成份，「合成的香水聞起來，就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢，就連知名調香師也無力回天。諷刺的是，在這場產業變遷的遺憾裡，得知糞臭素並非天然，卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

1. pptV（parts per trillion by volume），則是兆分之一體積比。ng/L，指每公升幾奈克。
2. μg/g，又作 mcg/g，指每公克中有幾微克，也就是 ppmW（parts per million by weight）百分之一重量比。

參考資料

1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
4. 羧酸（教育部重編國語辭典修訂本，臺灣學術網路第六版）
5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

• 作者 / 多明尼克．侯柯  (Dominique Roques)
• 譯者 / 韓書妍

「我從來搞不懂，這麼小小一片葉子，竟然可以產生如此強勁深濃的氣味。」奧利維耶 (Olivier) 驚嘆，他是我公司中的另一位香水大師。

這位業界之星憶道：「十八歲時，我經過坎城安提柏路 (rue d’Antibes) 上剛開幕的 Réminiscene 店面，因此認識了廣藿香。香氣飄到路的遠處，而且據說廣藿香可以掩蓋大麻的氣味，帶有悖德的感覺，因此更加誘人。他們的香水配方有一半都是廣藿香精油，從來沒有人能做到這種程度！」

奧利維耶是一九九二年發售的 Thierry Mugler 「天使」(Angel ) 香水的創作者，這款香水無疑獨具一格，廣受歡迎，被香水界視為革命性的作品。

這款作品源自對美食香調的狂戀，始終是全球最暢銷的香水之一。因為我們談到廣藿香，奧利維耶告訴我這件創作的起源：「品牌的香水負責人叫做薇拉，她想要一款充滿濃濃女人味的香水。

我以一件私人創作「帕楚」(Patchou) 為出發點，其中含有一半廣藿香和香草。我好愛這個香調，因此想方設法運用它。」奧利維耶了整整兩年的時間，每天努力將「帕楚」化為「天使」。他透過這款香水，描述提耶里．穆格勒 (Thierry Mugler) 在阿爾薩斯的童年回憶，加入帕林內、咖啡、蜂蜜香調，再加上香草，突顯黑醋栗和葡萄柚的香氣。「我選擇不要使用花香搭配廣藿香，而是透過美食香調為其增添難以抗拒的魅力。」

「天使」的配方最後維持單純，只有二十六種原料，一半是經典成分，並且保留四分之一的廣藿香，是相當可觀的劑量。奧利維耶分享他對精油的感受。

廣藿香帶有發霉、皮革、辛香料、菸草和腐植質氣味，幽暗肉慾的特質，能與任何木質調完美結合，男香女香皆適用，不分性別、超越香氛、撩人銷魂。

在辦公室裡，奧利維耶無法抗拒地拿出幾瓶廣藿香，浸潤試香紙。從第一張試香紙開始，印尼的田野回憶一口氣湧上我的心頭。

調香師表示暫停片刻，我們便開始嗅聞其他不同的部份，都是他正在創作的配方香調。他近乎低語地繼續說道：「森林地面、腐植質和氣味，也跟色彩有關。我一直覺得『天使』是藍色和黑色的。對我而言，廣藿香是黑色的。如果我想要在香水中加入黑色，就會使用廣藿香。」他的肺腑之言令我再度響起墨汁中的廣藿香。我喜歡調香師的觀點與黑色帶香氣墨汁的碰撞，墨汁會在紙上留下若有似無的氣息。

一如所有香水界人士，奧利維耶仍清楚記得最近一次發生在二〇〇八年的廣藿香危機。自從一九七六年的事件後，印尼生產組織的脆弱，導致多起重大危機發生，同樣令業界餘悸猶存。

移居者手工蒸餾葉片是以數萬名小農為基礎，總是會經過一連串收購人才到達出口商手中。在葉片價格長期過低的情況下，只要遇到其他獲利更高的機會，農民就放棄種植廣藿香。再加上惡劣的天候條件，這番處境引發了一九九八年和二〇〇八年的嚴重危機。相隔十年，由於兩年之間太晚發現精油短缺和飆高的天價，導致相同局面再度重演。

各種配方中，廣藿香無所不在，卻是眾人關心的焦點。買家們總會開玩笑說：「香水界只要廣藿香順利，一切就順利！」很不幸地，二〇〇八年由於幾週內價格翻了數倍，廣藿香再也不順利了。香水業界深受其苦，震驚於業界竟然再一次受農夫心情、投機商人的長期惡習以及印尼氣候的左右。業界下定決心要由內而外重新整頓策略。對買家來說，再也無需及時生產，所有大型用戶都有足量庫存，再也不愁沒有廣藿香精油了。

——本文摘自《香氣採集者：從薰衣草、香草到澳洲檀香與孟加拉沉香，法國香氛原料供應商走遍全球，發掘品牌背後成就迷人氣息的勞動者與風土面貌。》，2021 年 10 月，積木文化。