想像的力量：只有人類，看得到理查帕克

• 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。

我們現在都知道，在現生所有動物當中，和人類親緣關係最親近的，就是生活在非洲大陸的黑猩猩。據說我們人類的基因體，與黑猩猩的差異，只有區區1.2%。人如何之所以為人，一直是生物學家最想要解答的問題之一。

日本京都大學靈長類研究所教授松澤哲郎的《想像的力量：心智、語言、情感，解開「人」的祕密》（ 想像するちから: チンパンジーが教えてくれた人間の心），就是要透過對黑猩猩進行的研究，來解答這個疑惑。

松澤哲郎，大家可能不太熟悉（我也不例外XD），可是世界著名的黑猩猩專家珍．古德（Jane Goodall, 1934- ），大家就比較熟悉了。珍．古德在非洲朝夕相處地陪伴了她心愛的黑猩猩三十年，用心觀察了這群可愛的動物的心血結晶。在她的名著《大地的窗口：珍愛猩猩三十年》（Through a Window: My Thirty Years with the Chimpanzees of Gombe）是中說了一些充滿哲理的話：

「人生有許多供我們透視世界，尋找意義 的窗口，科學即是其中一扇。有許多絕頂聰明、洞見犀利的科學家，前仆後繼地擦亮了窗上的玻璃──透過這些窗戶，我們對於人類過去不盡知道的領域將可以 看得更遠、更清楚。這些年來我透過這扇窗，逐漸了解許多關於黑猩猩的行為模式，以及它們在大自然的地位。反過來這些也幫助我們了解人類本身的行為，和 人類在自然界的地位。」

《大地的窗口》給 我太多感動和啟發。我們有時常會看到一個有趣的物理現象：當我們在玻璃窗的這一邊比另一邊亮時，我們可以看到我們模糊的影子映在窗子上。 珍．古德不只是提供了我們一扇窗口來看看黑猩猩的世界以了解我們的過去。她還讓我們看到了就是那映在窗口上我們的模糊但輪廓清晰可辨的影子來認識現在的我 們自己！

我們確實從黑猩猩身上學到許許多多關於我們人類的事，除了《大地的窗口》和《想像的力量》，還有《雄性暴力》（Demonic Males: Apes and The Origins of Human Violence），以及《猿形畢露：從猩猩看人類的權力、暴力、愛與性》（Our Inner Ape: A Leading Primatologist Explains Why We Are Who We Are）。

松澤哲郎秉持著的，應該就是珍．古德信念，來花費長時間在非洲田野的辛勞，長期觀察黑猩猩，並且在京都大學靈長類研究所，用黑猩猩進行了諸多有趣的認知實驗。科學研究很多時候是艱辛的，還得忍受長期不為人知的孤寂，可是少數人仍願意為科學研究獻身，為了就是追求知識帶來的感動。

閱讀全文：

人類想像的力量

高中畢業時，我第一次有機會出國，與亮金色頭髮的美國朋友相處，收音機打開是用民謠吉他彈奏的鄉村音樂，打開接待家庭的大門，前面是大院後面養了三隻狗五隻貓……，浸泡在「洋墨水」裡，我開始看到一些以前沒注意過的台灣社會文化。《想像的力量》就像是這樣浸泡在異文化裡，帶領你進入黑猩猩的世界，然後認識自己的「比較認知科學」。

在認知神經科學的許多動物實驗，常使用猴子來做神經生理研究，然後根據其結果，再使用如核磁共振（fMRI）或跨顱磁刺激（TMS）等，非侵入式的研究方法，應用在人類身上，探究大腦與行為之間的關係。而閱讀《想像的力量》後才知道，比較認知科學，則是觀察黑猩猩在野外，或是實驗室中的行為，和人類的相同與相異，以演化的角度了解「人，何以為人？」

比起神經生理研究做實驗的猴子與人類的相似程度，黑猩猩與人類在DNA上更是雷同接近，僅有1.2%的差別，而這個千分之十二究竟有什麼不同？

作者松澤哲郎最初是視覺研究者，在大三大四時體悟出「認知世界的不是眼睛，而是大腦！」所以從視覺研究向上一層，試圖了解左右腦的分工，他透過白老鼠進行實驗，但卻覺得仍與人類相差甚遠。研究所畢業後，才開始透過猿、猴的眼睛看世界，比較與人類的同與異。

這一路走來，先在人類的研究，理清「認知」來自大腦，而後再與猩猩比較人類的行為：人類更能有同理心且進而互惠，會分工合作，不只使用工具還能應用，甚至轉化工具另造用途……這些都說明了這1.2%的差別──我們能設身處地的為人著想；我們可以體悟爸媽對我們的好，然後進而回饋與敬孝；我們不只把雨傘拿來擋雨，還可以遮陽；我們會在窮途末路時感到絕望，遇到貴人後重燃希望……諸如這樣高階的認知能力，透過思考轉化想像，才得以達成，正所謂廣告詞「想像力，是你的超能力！」

人，何以為人？大概就像許多動物卡通，透過擬人化的方式來傳遞小故事的大啟示；《少年Pi的奇幻漂流》你究竟選擇相信那個充滿動物的版本，還是那個刻骨銘心的故事？我們可以把黑猩猩當作還沒有想像力的我們，而擁有這項超能力的你我，才能在絕望時，因為理查．帕克而重燃勇氣。

【2013/3/3補述】朋友提醒我說：「『理查．帕克』代表著負面詞，或是恐懼……。你這樣寫，好嗎？」故請容我補述，Pi的恐怖經驗，透過理查．帕克的想像寄託，即使獲救了也都沒有「告別」。而我是相信第一個故事的！想像中的理查．帕克給予我勇氣，這樣想像的信念，會因為相信而真實。《想像的力量》在第八章提及，黑猩猩不會感到絕望。人類回憶過去，緬懷、以歷史借鏡；人類放眼未來，期望、追求夢想，但黑猩猩活在當下，現在所做的「會讓我變成什麼樣子？」是人類才有的想像。

序章：心智、語言、情感

我到現在都清清楚楚記得，第一次見到小愛（Ai）的那一天。

小愛是在一九七七年的十一月，來到京都大學靈長類研究所。而我，則是在那前一年的十二月來到這邊，擔任研究助理。一直到那一天之前，我從來沒有近距離看過黑猩猩（Pan troglodytes）。只覺得想像中，應該是隻黑黑的、大一點的猴子吧？要來到這裡的黑猩猩，到底是什麼樣的動物呢？

那是一個有點涼意的初冬之日，在一間完全沒有對外窗戶的地下室房間，只有一顆裸電燈泡，從天花板上懸垂下來。房間裡，有一位幼小的黑猩猩在裡面──她是小愛，那時才剛滿一歲而已。

我一看著小愛的眼睛，小愛也直盯著我的眼睛看。這可相當令人驚訝！因為在這之前，我整整和日本獼猴（Macaca fuscata）相處了一年，知道和猴子在一起時的大忌，就是無論如何千萬別直視他們的眼睛。只要你一看著猴子的眼睛，他要不是「吱──」的一聲逃走，就是「嘎──」地對你動怒。

對猴子而言，「視線的接觸」只代表一種意義──那就是瞪視與挑釁。更何況，遇見陌生人的日本獼猴會很緊張，情緒一點兒都靜不下來。可是小愛卻不一樣。只要你看著她的眼睛，她就會一直注視著你。這種感覺，真的是太神奇了。

回過神以後，我想應該來試試看做點什麼事。可是很不巧，當時我沒特別帶著什麼東西在身上，只是穿著一件便於進行各種作業的白色實驗袍，並在袖子上戴著一枚像以前導護老師會戴在臂上的那種黑色袖章而已。因為實在什麼都沒有，所以我就把袖章從手臂上取下來，試著遞給小愛。結果小愛一接過去，就直接把她的手穿進袖章裡。

今天如果換作是日本獼猴，拿到了這個東西之後，首先一定是嗅嗅它的味道，試著咬一咬，發現這東西不能吃以後，就隨手往旁邊扔掉，再也不會多看它一眼。可是小愛卻毫不猶豫地接過袖章，兩三下迅速將它戴在自己手臂上，當我還在「什麼？」地大感驚訝之際，小愛又兩三下迅速地把它從手臂上取下來，遞還給我。

遇到小愛的這第一天，就讓我清楚地瞭解到，在我眼前的並不是一隻猴子。她會凝視著你的眼睛，會主動模仿，而最重要的，是有什麼東西觸動了你的心弦。

從那一天起，我就這樣展開了跟黑猩猩相處的漫長歲月。可是，每天都像是新的一天。每天，黑猩猩都教了我某些新的東西。我想，就是因為這樣，所以我才會一直不斷研究，直到現在。

一九六九年，我進入京都大學就讀，選擇的科系是哲學系。我想知道「人到底是什麼？」。考慮了很多以後，我決定專攻當時仍附屬於哲學系之下的心理學。而現在，我研究的學問成了一門新學門，叫做「比較認知科學」（Comparative Cognitive Science）。

所謂的比較認知科學，是把人類和人類以外的動物做比較，以追溯人類心理演化起源的一門學問。

正如同人類的身體是演化的產物，人類的心智，同樣也是演化的產物。一旦能以這樣的眼光看事情，就會發現無論是教育、親子關係或是社會，全都是演化的產物。透過深入瞭解黑猩猩這個「人類的演化近親」，我們可以對照出人類心智的哪個部分特別不一樣，能因此得以窺見教育、親子關係或社會的演化起源。我想，這也就相當於是對「人，到底是什麼？」這個問題的一種解答吧。

對於比較認知科學這門我自己的研究學門，我認為其焦點在於「心智」「語言」和「情感」。這三個主題，是在思考「人類」這種生物時，幾個非常重要的角度──透過對黑猩猩的研究，我漸漸地產生出這樣的領悟。

我想，「心智」「語言」與「情感」對人類而言很重要這件事，我們從很久以前開始，就已經有所理解。比方說，有句話是這麼說的，「心中若沒有愛，無論羅列多美麗的辭藻，都無法在對方心裡激起共鳴。」聖保羅（St. Paul）的教誨，可說是一針見血地把位於「人與人之間」的「人際關係」本質，恰如其分地表達了出來。（譯注：見使徒保羅的書信〈哥林多前書〉十三章第一節：「我若能說萬人的方言，並天使的話語，卻沒有愛，我就成了鳴的鑼，響的鈸一般。」）

隨著時光流轉，從第一次和小愛相會那天起，到現在已經整整經過了三十三個年頭。從一九八六年起，我也開始對非洲的野生黑猩猩進行研究。每年到非洲進行一次野地調查，到現在也已經進入第二十五年。不知不覺，我的人生也已經超過一甲子。（譯注：作者出生於一九五○年。）

與黑猩猩邂逅之後，開始深入觀察黑猩猩。在日本、在非洲，積累每個與黑猩猩一同度過的日子之後，我漸漸地開始理解他們。

日本諺語有句話說「淺川也當深川渡」。這句話的原義，是告誡人們行事必須慎重，要步步為營。即使乍看之下是條淺淺的小溪，有時候水深可能會出乎意料之外。所以過河時務必小心，千萬別稍一不慎，就被大水沖走了。

但是這句諺語，對我來說卻代表著另外一種不同的意義──乍看之下覺得沒什麼而忽略的事物，實際上卻可能隱含著深刻的意義。因此，我聽起來這句古訓，是告誡我們：看起來淺薄的事情，也要深入地去分析、思索。事物的本質，正是會出現在經常被忽略的細節裡。

黑猩猩並沒有人類一樣的語言。可是，他們有他們的心智，而以某種意義而言，他們甚至有著比人類更深刻的情感。透過對黑猩猩的更深入理解，我們得以嘗試思考，「人，究竟是什麼？」

在這本書裡，我想跟各位讀者談談，我把「淺川也當深川渡」之後的心得與所見──人類的心智、語言和情感的演化起源。

（摘自PanSci 2013年二月選書《想像的力量：心智、語言、情感，解開「人」的祕密》〈序章　心智、語言、情感〉，經濟新潮社出版）