如果「基因編輯」可以根治心理疾病，我們應該這麼做嗎？——《破解基因碼的人》

• 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。

丈夫用來蝕刻金屬的氯化鐵（FeCl₃）遺失。罹患妄想型思覺失調症（paranoid schizophrenia），時年 47 歲的妻子，於自家公寓倒下，地板、嘴邊和身上的衣服，都有橙黃的液體。她曾數度以多種方式自殺未遂，最近有安排住院的計劃。^[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

鐵中毒

19 世紀末起，基於毒物學的迅速發展，金屬中毒的意外與刑案，已經不似過往那麼頻繁。目前急性鐵中毒的情形，較常見於吞下過量（> 20 mg/kg）鐵劑的兒童；也有些案例是孕婦攝取太多含鐵的補品。輕微鐵中毒的症狀，包括：嘔吐、腹痛、拉肚子等；嚴重的話，則會出現脫水、低血壓、代謝性酸中毒、血糖濃度波動、凝血問題，以及肝臟、腎臟、心血管和中樞神經系統的損傷。^[1]另外，氯化鐵加水而分解，也就是經過水解（hydrolysis）後，^{[1, 2]}pH 值約在 1 到 2 之間，具有腐蝕性，會傷害消化道和附近的內臟，並經由血液擴大影響的範圍。^[1]

一般急性鐵中毒的情況下，醫師可能會考慮手術取出含鐵的藥錠；^[1]或者用水或生理食鹽水沖入胃部再抽出，即洗胃（gastric lavage）；^{[1, 3]}還可以經靜脈輸注除鐵能（deferoxamine），讓它跟鐵結合，再排出體外。^{[1, 4]}不過，此個案或許是被發現時就確定死亡，原論文沒有任何關於救治的描述，而是直接從驗屍講起。^[1]

解剖驗屍

女子死後幾天，波蘭博美醫學大學（Pomeranian Medical University）的法醫系解剖驗屍：口腔黏膜跟腸胃道血栓性壞死（thrombotic necrosis）。此二處乃至周邊的心、肺、橫膈膜與肝臟，都呈現黃色。胃部清空，食物大概在毒物腐蝕體內組織的過程中，被腸胃壁和其他臟器吸收殆盡。腦部、肝臟與腎臟等內臟中，氯及鐵離子濃度很高。血液檢測排除酒精及外源非揮發性有機化合物。^[1]

普魯士藍染劑

進行組織學分析的時候，照慣例得使用蘇木紫（haematoxylin）和伊紅（eosin）兩種染劑，讓細胞和組織的結構顯現出來；^[5]而驗屍團隊在此額外採用普魯士藍（Prussian blue）染劑，促使鐵現形。^[1]細胞中的鐵，分為可溶解跟不可溶解兩種。蘇木紫和伊紅無法令可溶解的鐵蛋白（ferritin）被看見；但普魯士藍染劑會使之呈現非常淺的水藍色。而不可溶解的血鐵質（hemosiderin），碰到蘇木紫與伊紅時是金棕色；如果用普魯士藍染劑，則為藍色。^[6]

普魯士藍染劑的成份，為亞鐵氰化鉀鹽酸（potassium ferrocyanide hydrochloric acid）溶液，跟帶正電的鐵離子作用，會產生藍色的亞鐵氰化鐵（ferric ferrocyanide）。^{[7, 8]}儘管人體本來就有鐵，正常的肝臟遇上該染劑，其實看不太出變化；即使因為生病而充斥血鐵質，頂多也只有部份細胞著色；不可能像中毒時，整片湛藍。女子的內臟組織一如預期的大面積變色，而且以腸子和肝臟的最為明顯。^[1]

死因

死亡與驗屍相隔幾天，屍體除了會出現一般死後常見的變化，無疑也給予氯化鐵蔓延並穿透的時間，惡化對內臟和組織的傷害。然而綜合所有證據，以及精神病史賦予的自殺動機，法醫仍可判斷女子死於口服氯化鐵中毒，引發的急性心肺衰竭。^[1]

參考資料

1. Majdanik S, Potocka-Banaś B, Glowinski S, et al. (2021) ‘Suicide by intoxication with iron (III) chloride’. Forensic Toxicology, 39, 513–517.
2. ‘5.4: Hydrolysis Reactions’. LibreTexts Chemistry, U.S.
3. ‘Stomach Pumping’. (10 JAN 2023) Cleveland Clinic, U.S.
4. Velasquez J, Wray AA. (22 MAY 2023) ‘Deferoxamine’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
5. Sampias C, Rolls G. ‘H&E Staining Overview: A Guide to Best Practices’. Leica Biosystems. (Accessed on 04 SEP 2023)
6. Guindi M. (2018) ‘11 – Liver Disease in Iron Overload’. In: Practical Hepatic Pathology: a Diagnostic Approach (Second Edition). Pattern Recognition. (pp.151-165)
7. ‘All About Iron: The Colloidal Iron Stain and Prussian Blue Reaction’. (04 JUN 2021) U.S. National Society for Histotechnology.
8. Suvarna KS, Layton C, Bancroft JD. (2018) ‘Techniques for the Demonstration of Carbohydrates’. In: Bancroft’s Theory and Practice of Histological Techniques E-Book. (pp. 187-188)

2011 年 3 月 11 日，日本發生大地震與海嘯，造成福島核災。位於福島縣雙葉郡，5 家有精神病房的醫院隨即關閉，一下減少了 901 個該科的床位。^[1]其中廣野町的高野病院，^[2]距離福島第一核電廠 22 公里。院長本來希望避免大規模撤離，無奈原有的 88 名工作人員，到 19 日時，只剩 13 名。災後劇減的人力和物資，只夠照顧臥床的重症病人。於是，包括精神科在內，所有具活動能力的病患，終究踏上了旅程。^[1]

反覆轉院

載著 37 名精神病患的巴士，由高野病院出發，開往 250 公里外，遠在埼玉縣的 A 醫院。^[註]每個人的紙本病歷，之後才會另外送達；而照慣例該有的轉診摘要，則因工作量超載被直接省略。長途車程中，縱有醫護及行政人員隨行，部份病患水份仍攝取不足，出現脫水的現象。^[1]

一名時年 53 歲，右邊視力及聽力受損，且罹患思覺失調症（schizophrenia）的男子，也在這班車上。他父母雙亡，又缺乏家族的經濟和社會支援，所以從 29 歲起就住在高野病院。^[1]

精神病患對環境變化的適應力，較普通人差。長途轉院的過程，可能給他們帶來極大的壓力。再加上有些思覺失調症的病患，不容易及時告知身體狀況，或會延誤疾病的診斷與治療。抵達 A 醫院後，男子雖然沒有口頭抱怨身體不適，但是起床、進食、排泄及沐浴等，日常活動需要的協助增加。^[1]

2011 年 4 月 27 日，醫療人員突然發現男子有血便，立刻將他連同病歷摘要，轉往東京都三級的大型醫療院所──B 醫院，^[註]接受內視鏡檢查與加護醫療。男子的精神狀況，平時靠 haloperidol 維持穩定。許多抗精神病藥物都有便秘等副作用，得長期服用瀉藥疏通。不過此時為了檢查，必須暫時停止使用後者。^[1]

4 月 28 日和 5 月 9 日，他於 B 醫院分別做的上消化道內視鏡（oesophagogastroduodenoscopy，俗稱gastroscopy，即胃鏡）與大腸鏡（colonoscopy），都查無異狀。在血便逐漸自行消退的同時，男子因為太久未吃瀉藥，而產生腸阻塞（ileus），整個人變得非常虛弱。可是 B 醫院的醫療團隊，似乎未曾取得完整的交接資訊，因此沒有恢復用藥。^[1]

等到 5 月 11 日，轉回熟悉的高野病院，男子已經完全臥床，無法自主活動，而且溝通困難。有段時間醫療團隊讓他禁食，以改善腹部的症狀。24 日恢復正常飲食後，他卻胃口欠佳。^[1]腸道阻塞可能引發嘔吐，若不慎吸入嘔吐物，肺部便有發炎的危險。^[3]或許就是這樣，男子於 6 月 30 日開始發燒。7 月 1 日的胸腔電腦斷層掃描，顯示吸入性肺炎（aspiration pneumonia）與肋膜積水（pleural effusion）。儘管投以抗生素，他還是在 8 月 16 日因病過世。^[1]

預防憾事

福島核災那段時間，被迫轉院的各類病人，與沒撤離的相較，死亡風險明顯上升；而普遍來說，大型災難後，精神病患的死亡率，又比一般民眾更高。報導這則個案的作者群認為，提供病患合宜治療的義務，不適用於重大災難等情形；並指出根據日本《民法典》，從緊急撤離到事後回院期間，醫院都沒有追蹤病患的責任。然而他們也表示，如果有比較簡單明瞭的病歷摘要，以及統一互通的雲端醫療紀錄，應該多少可以預防此類憾事。^[1]

備註

原個案報告未寫出 A、B 兩家醫院的全名。

參考資料

1. Sonoda Y, Ozaki A, Hori A, et al. (2019) ‘Premature Death of a Schizophrenic Patient due to Evacuation after a Nuclear Disaster in Fukushima’. Case Reports in Psychiatry, 3284153.
2. 「医療法人社団養高会 高野病院」高野病院（Accessed on 17 JUL 2023）
3. ‘Vomiting’. (JUN 2021) Healthdirect Australia.