冷知識沒路用？誰說的？：《科學詭案調查局》導讀——2021 台積電盃 青年尬科學／「科普書籍閱讀寫作競賽」優選導讀文

• 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。

約莫 30 年前，家庭經濟艱困，這名新加坡華人婦女選擇墮胎。固然有丈夫支持，仍深感愧疚羞恥。術後，她「聽到」誦經，並「看見」床舖上腐屍橫臥。^[1]

症狀再現

2017 年，婦人覺得整週被惡靈騷擾，腎臟切除術（nephrectomy）只得延期。後來在 2018 年的手術期間和之後，她分別接受兩種鴉片類藥物（opioids）止痛，卻導致不由自主的過動症狀。同時，繚繞的梵音與陳列的死屍，再次出現長達一個禮拜。她的腦電波圖及腦部核磁共振結果正常。投以具鎮靜效果的苯二氮平類藥物（benzodiazepines），兩週後外顯症狀消失並出院，但繼續用藥。此外，她術後情緒低落，有輕生的念頭，被診斷為重度憂鬱症（major depressive disorder），因此吃了兩年的選擇性血清素再吸收抑制劑（selective serotonin reuptake inhibitors）。^[1]

自殺防治專線：
 衛生福利部安心專線 1925
 生命線協談專線 1995
 張老師輔導專線 1980

2021 年，雷同的非自主性症狀重現：每日 2、3 回，胸口一股寒氣朝四肢擴散，再轉成刺痛。又哭又笑，尖叫、顫抖，手舞足蹈。幾分鐘至 1 小時下來，發汗疲憊。時年 62 歲的婦人，不禁憂心未來的日子如何是好。^[1]

4天後，在新加坡中央醫院（Singapore General Hospital）的急診室裡，婦人再次發作。肌肉注射一劑抗精神病藥物，沒幾分鐘，她就坐直身子，為自己的行為道歉。然而問診未及 10 分鐘，便再度失控。這回經靜脈打了苯二氮平類藥物，數分鐘內，又恢復鎮靜。^[1]

鑑別診斷

負責診療此婦人的精神科醫師認為，如果一個人著魔般地附體出神（possession trance），就要從心理諮商和心理治療，瞭解壓力來源，並學習調適；倘若罹患恐慌症（panic disorder），則可以再加上投藥。第一線的藥物，正是她之前手術後服用的選擇性血清素再吸收抑制劑，還有苯二氮平類藥物。理論說來簡單，偏偏兩種精神狀態，均會在壓力下的生氣和挫折時被觸發，症狀又有相似之處，診斷可得仔細鑑別。^[1][註]

恐慌症

剛入院時，婦人的生命徵象、血液、腦部斷層掃描、腦電波圖、神經功能；以及外表、情緒、表情、行為、言語、思考和感知等，精神狀態檢查（mental state examination）的項目都正常。不過住院期間，她已被病症折磨到想自盡。婦人告訴醫師，這些異狀起因於惡靈纏身。^[1]

在新加坡，22% 的華裔精神病患，將違常的思維與舉止，歸咎靈異附體：其中 40% 幻聽；32.7% 幻視。所以就是來者自稱能聽天音、見鬼神，精神科醫師想必都如禪佛入定，處變不驚。何況宗教信仰與精神醫學重疊的案例，並非當地獨有。比方說，有個 19 歲的突尼西亞裔義大利女子，描述《可蘭經》裡提到的那種精靈，侵入自己的身心。她被視為罹患恐慌症，施以選擇性血清素再吸收抑制劑，偕同心理諮商和心理治療後，情況便順利改善。^[1]

新加坡中央醫院的精神科醫師，盤點著婦人的症狀：流汗、顫抖、發寒、胸口不適、感覺異常，以及害怕失控。《精神疾病診斷與統計手冊》第 5 版中，恐慌症全數 13 種症狀，她就有 6 種。雖然墮胎與腎臟切除術的創傷經驗，有機會觸發中邪般的解離症狀；但是婦人意識清醒，未曾浮現其他人格，也無記憶斷片的現象。至於情緒不佳，主要是受到這些經驗的影響，倒不是本來就深陷低潮。換句話說，既非附體出神，也不是伴隨精神病特徵的重度憂鬱症，而是帶有文化特色的恐慌症。^[1]

婦人在對症下藥，且病情穩定後出院。她計劃一邊服藥；一邊尋求民間信仰的傳統諮商。基於文獻指出宗教活動有助預後，醫師亦樂見雙軌並行。^[1]

備註

原個案報告使用的「附體」（possession）和「出神」（trance）二詞，^[1]既有宗教意味；亦可指稱精神醫學中的附體出神障礙（possession trance disorder）。比起該醫師提到的恐慌症，附體出神障礙其實跟解離性身份障礙（dissociative identity disorder），更加相似。^[2]相關案例請見：〈精神個案系列：發瘋、中邪，還是通靈？〉

參考資料

1. Khoe HCH, Gudi A. (2022) ‘Case Report: An Atypical Presentation of Panic Disorder Masquerading as Possession Trance’. Frontiers in Psychiatry, 12:819375.
2. Pietkiewicz IJ, Kłosińska U, Tomalski R. (2022) ‘Trapped Between Theological and Medical Notions of Possession: A Case of Possession Trance Disorder With a 3-Year Follow-Up’. Frontiers in Psychiatry, 13:891859.

他外遇，便被老婆私刑去勢。先送蘇托莫醫師綜合醫院（Dr. Soetomo General Hospital）急診室，經歷二次泌尿科手術，並數度造訪精神科門診，療程可謂一波多折。根據個案報告作者耐人尋味的描述，這名 35 歲的印尼男子沒有報案，夫妻也未對簿公堂，「所以感情堪稱和睦」。且不論該說法是否合理，因為此處罪證確鑿，兇嫌坦承犯案，又無法律訴訟，^[1]實說用不上鑑識科學。因此，本故事歸類在精神個案系列，關懷男子受創的心靈。（延伸閱讀：〈鑑識故事系列：命根子沒了？！狗咬或自宮？〉）

幻肢勃起

正常狀況下，腦部能透過神經系統，感受陰莖的狀態。^[2]現在接收感官訊號的要道斷了，必須及時搶修。泌尿科事先告知男子，倘若陰莖重接術（penile reimplantation）失敗或感染，裝回去的部份得再切掉。復原期間，正養精蓄銳的腦部特定皮質迴路，不曉得受到何方刺激，竟迎來天大的驚喜：術後 2 天，男子立刻「察覺」勃起功能滿血回歸，對結果萬分滿意。無功不受祿的泌尿科醫師，深知就是華陀再世，亦無此神力，不禁懷疑男子經歷了幻肢勃起（phantom erection），^[1]這種觸幻覺（tactile hallucination）。^[3]隔日，便將他轉診。^[1]

過去美國也曾有類似病例：一個男人在 44 歲移除陰莖。64 歲時告訴醫師，自己 20 年來一直有逼真的幻肢勃起。逝去的器官平常缺乏存在感，但若有漂亮女孩路過，便活躍到他得親眼確認是不是誤會了什麼。不過，醫師似乎未採取任何行動。^[3]

調適障礙症

精神科初診時，印尼男子抱怨陰莖疼痛，心情略受影響。除此之外，他的口語、思路，以及認知人、時、地的定向力等都正常，而且當下沒有幻覺。然而 3 天後，他開始煩惱手術是否失敗。精神科醫師認為男子得了伴隨焦慮與憂鬱情緒的調適障礙症（adjustment disorder with mixed anxiety & depressed mood），並提出下列建議：^[1]

• 婚姻諮商：這是一種協助改善伴侶關係的心理治療，著重於兩人之間的性愛、溝通、問題處理與衝突平息等。對此個案來說，還要面對下體受創所帶來的衝擊等挑戰。^[1]
• 支持性心理治療：幫助病患及配偶調適手術造成的心理影響。^[1]
• 家庭心理教育：使病患和伴侶瞭解診斷，以及相應的治療選項和調適方法。^[1]
• 放鬆技巧：教導病患如何放鬆，並調節自己的情緒。^[1]
• 精神藥物學：每天早晨口服抗憂鬱劑fluoxetine。^[1]

幻肢疼痛

過沒幾天，精神尚不穩定的男子，因組織壞死（照片），同意接受陰莖切除術（penectomy）。命根子沒了，他卻依然「感覺」到那裡的痛楚，甚至以為是縫線脫落所致。這種幻肢疼痛（phantom limb pain），通常發生在截肢手術後的頭幾日。^[1]殘肢的神經過度亢奮，並長出神經瘤（neuromas）；脊髓在中央敏感化（central sensitisation）的過程中，增加神經活動，擴大感受範圍，變得異常敏感；腦部則進行皮質重組（cortical reorganisation），讓對應斷肢原處的皮質，改為負責鄰近部位，於是殘肢的痛覺可能轉移到不復存在的斷肢，也就是幻肢上。^[4]

精神科回診時，男子心情奇差，只想盡快痊癒復工。醫師見他病況惡化，就更強調持續治療的重要性；並透過婚姻諮商，協助他們夫妻學習彼此忍讓，重建關係。同時，處方調整為具有止痛和抗憂鬱效果的 amitriptyline；以及抗焦慮的 clobazam。一個半月後，男子在老婆的陪同下回到診間。他向精神科醫師表示，自己已經好轉，並逐漸接受現況。^[1]

參考資料

1. Arizona P, Yulianti E, Fithriyah I. (2023) ‘Psychiatric Approach in Phantom Erection Postpenectomy Patient’. Case Reports in Psychiatry, 4113455.
2. Shindel AW. (MAY 2022) ‘Erectile Dysfunction’. UCSF Health, University of California San Francisco.
3. Fisher CM. (1999) ‘Phantom Erection After Amputation of Penis. Case Description And Review of The Relevant Literature on Phantoms’. Canadian Journal of Neurological Sciences, 26(1):53-6.
4. Hanyu-Deutmeyer AA, Cascella M, Varacallo M. (04 SEP 2022) ‘Phantom Limb Pain’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.