0

0
1

文字

分享

0
0
1

科學怎麼搞:神秘的旋轉雕像

YTLai_96
・2013/07/03 ・6590字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 485 ・五年級

圖片來自 happytreefriends.wikia.com

根據新聞報導(這裡這裡),最近在英國的曼徹司特博物館裡證實了有這麼一個『會轉身』的雕像。從雕像80年前入館之後,這個雕像似乎都沒有人碰過(80年來展館沒有整修展品動線沒有調整也太厲害),但是最近卻開始從正面向外轉為背面向外,彷彿是在賭氣一般。又博物館館員表示,他是唯一一個有鑰匙可以打開上鎖展示櫃的人,因此不可能是其他館員的惡作劇。當他第一次發現雕像轉身了之後,他打開了展示櫃,把雕像轉回正面後鎖上展示櫃,但是過沒兩天,這雕像又轉身了。於是他再一次的把雕像轉回正面,並且富有科學精神地架設了相機,以縮時攝影的方式揭露了這個神秘雕像真的會自己轉動,而不是空穴來風。

這下好了,既然已經證實了雕像會自己轉動,那麼接下來的問題就是『為什麼』雕像會轉動。博物館員言之鑿鑿,認為必定是因為雕像被下了詛咒,因此有了超自然的能力得以轉動。但是另一方面,也有人提出科學解釋,認為是人群走動的震動讓雕像旋轉。公說公有理婆說婆有理,那到底誰是對的呢?

這一次,科學怎麼搞吃了熊心豹子膽,想要從科學的角度瞭解可能被詛咒的雕像旋轉的箇中緣由。

你或許還記得,詳細的觀察是科學態度和方法不可或缺的第一步。所以讓我們再看一次影片,而且如果你願意的話,你可以跟我一起逐格檢視。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(進廣告)

 

在反覆逐格的檢視雕像轉動模式以及四周環境的變化之後,我們可以把這些因素都畫成下面這個圖:

箭頭與刻度為24小時制的時間,白色區塊與黑色漸層區塊分別是展示櫃開燈與關燈的時段,人影所佔區塊為群眾來參觀的時段,而紅色陰影覆蓋部分則是雕像旋轉的時段。

從圖上來看,你可以看到幾個我觀察到並且認為重要的變因,他們分別是時間(白天黑夜)光照(開燈關燈)、以及人群走動(有/無)。簡單來說,我的想法是,先不管背後的機制是什麼,雕像轉或不轉,可能是受到這些變因(之一或數個)的影響。而當我們有了這一次旋轉現象的精確觀察與記錄,把這些變因狀態和雕像旋轉與否擺在一起,其實就可以看到一些蛛絲馬跡了。

首先,這雕像其實並不是像新聞裡頭所說的『只有在白天人來人往的時候才會轉動,晚上關館了就不動了』,反而是『有時候人都還沒來的時候卻早早就開始轉,有時候人都走光了燈都滅了還在轉』。而既然雕像旋轉的開始和結束時間不固定,和光照與否的狀態也不同步,跟營運狀態也不一致(根據博物館網頁,博物館營運時間是每天十點到下午五點),那麼這幾個變因應該就不是讓雕像轉動的因素。而新聞中所提到的人群走動的震動讓雕像旋轉,因為每天有人參觀的時間都一樣,但是雕像卻不只在有觀眾的時候才轉動,於是也很不幸的被排除了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這下好了,所有觀察到的變因都似乎不是導致雕像轉動的原因,難道這雕像真的是因為詛咒而轉動嗎?

當然不是。

首先,我們要拿出科學家面對實驗沒結果的常見藉口理由:樣本數太少。的確,在這個雕像轉動的事件中,我們只有這一次雕像轉動的記錄,真的要據此斬釘截鐵的說哪些因素相關或無關,實在是站不住腳。比較好的狀況,應該是我們要重複這個觀察,也就是像這一次的錄影一樣,讓雕像從面對觀眾轉到面壁不動,然後再把雕像擺回正面。如果能夠拿到這樣的錄影記錄十幾二十次,並且把每一次的狀況都做成上面那樣的示意圖,那麼,到底是哪些變因影響雕像轉動,或許才可以說得斬釘截鐵一點。

另外,根據這次的錄影,雕像從星期二(4/2)開始旋轉,到星期六(4/6)晚上就停了,星期日和星期一(4/7,8)兩天這雕像是絲毫不動。無論是巧合或是故意,這錄影的其間剛好就是一個星期,因此我們無從判斷雕像到底是只會轉到面壁為止而且過程需要五天左右,還是雕像其實是只在星期二到六轉,然後剛好這次轉到面壁就暫停,過了星期日和星期一之後又會開始轉。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所以,如果能夠重複觀察雕像旋轉過程的話,還得要在不同的週日期(也就是星期幾)把雕像復原然後開始整個觀察,這樣才能確定雕像到底是會不斷的轉圈圈但只轉星期二到六所以這次剛好只拍到雕像轉半圈就停了,還是雕像其實就是只會轉到面壁就停然後過程大概需要五天這樣。換句話說,就是確定雕像的旋轉與週日期(星期幾)到底有沒有關係(也就是雕像旋轉是不是以七天為週期)。

圖片來自http://www.myniceprofile.com/days-week-55913.html

當然,從這次的縮時攝影來看,因為照片的時間間隔都是固定8分鐘(除了第一天的前半小時,也就是0832-0900這段時間的照片間隔是4分鐘以外),我們可以藉此判斷旋轉的速度並且推敲一番。很明顯的,雕像的旋轉速度時快時慢不太平均,同樣是轉了大略45度,從面對觀眾開始到面對牆壁的四個45度所需的時間分別是(大約)11、15、10、以及27小時,也就是說接近面對牆壁的時候轉的速度明顯慢了許多。我們當然可以猜測,雕像是因為轉到面壁就會停止,所以接近面壁的時候旋轉速度就會慢下來。但是,真的想要做出這樣的聲明,無論如何都需要更多的重複和記錄,否則的話,誰敢保證雕像面牆的時候轉速漸慢,不是因為在放假日(星期日&一)之前的星期六就是要轉得比較慢?

總之,等到我們幸運地可以拿到這麼十幾二十個雕像旋轉的影片記錄之後,我們當然就可以更清楚的看出雕像之所以旋轉到底和時間、星期幾、光照、或人群走動有沒有關係。根據這麼多的重複觀察,我們很可能可以幾乎斷定某個因素絕對就是或不是雕像旋轉的原因,但是如果可以以實驗來證明當然更好。所以,下面這些就是我想像的簡單實驗方法,以及根據目前唯一的雕像旋轉影片記錄所推測的實驗結果。

如果雕像轉動是跟時間(幾點到幾點)有關,那麼姑且不論雕像到底是怎麼感應時間的(內建原子鐘或化學反應鐘?),在我們不可能改變時間前進快慢(如果雕像轉動與絕對時間有關)也無法瞬間移動(如果雕像轉動與時區時間有關)的狀態下,唯一可行的確認方法就只有不斷觀察然後推論了。但是,因為這個影片中雕像已經不是在特定時候開始或停止旋轉,而且星期日和星期一也不動如山,要說雕像是感應時間而每天固定從幾點到幾點轉動,我認為幾乎是不可能的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果雕像轉動是跟週日期(星期幾)有關,那麼姑且不論雕像到底是怎麼感應週日期的(四千多年前的古埃及有一週的曆法結構嗎?),在我們沒有瞬間移動能力的前提下(即使瞬間移動也只能改變一天的週日期啊),以不同週日期開始的觀察記錄應該是唯一的確認方法。而我猜想,無論背後的機制是什麼,雕像要能夠感應週日期,而且只在星期二到六之間旋轉,實在是機會渺茫。

不過,雖然我認為上述兩種假說的可能性很低,但是如果兩者是同時存在的話反而很有機會。也就是說,如果雕像轉動其實跟週日期和時間都有關係,一如往常的姑且不論背後的機制為何,那麼藉著不斷的、從不同週日期開始的觀察記錄,無論雕像到底是只會轉到面壁還是會不斷轉圈圈,應該都會看到雕像遵循著『星期二猴子肚子餓0800-2000、星期三0600-2400、星期四0500-2000….』這樣以星期為週期的時間表在轉動著。

而如果雕像轉動是跟光照(開燈關燈)有關,姑且不論雕像感光旋轉的機制(內建太陽能電池?)是什麼,這實驗方式總之很簡單。我們只要在每天正常的開燈關燈時段丟銅板,決定這個時段展示櫃裡的燈光開或關。也就是說,這雕像會經歷該開燈就開燈、該開燈卻關燈、該關燈卻開燈、該關燈就關燈這四種狀況,然後我們就來看看雕像是不是也跟著燈亮旋轉,甚至在燈關了以後還餘韻猶存繼續轉個幾小時(就像是上圖中關燈還繼續轉那樣)了。而我認為,從現有的影片看來,雕像轉動跟光照應該是沒啥關係。

又如果雕像轉動是跟人群走動(有/無)有關,姑且也不論這背後的機制是什麼(打卡上下班或人來瘋?或者是像物理專家說的一樣人群走動造成震動使得雕像底部跟玻璃展桌差微滑動),實驗方式也頗為簡單。我們只要藉由改變人群動線,讓雕像所在的展區經歷正常的有開館有人來和有開館沒人來,就也可以得到結果了。而我認為,從現有的影片逐格檢視看來,雕像轉動跟人群走動應該也是沒啥關係。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

目前為止,我們從影片中觀察到的變因都討論過了。你應該可以看得出來,即使我們眼下只有一個影片可以觀察,我也沒有真的去做我想像的這些實驗,但是我的確認為,這雕像的轉動與日週期的時間無關(所以不會固定每天幾點到幾點轉動)、與新聞裡的專家所說『因為人群走動造成雕像震動』也應該無關(不然的話應該有人的時候才會轉沒人就不會轉)、當然也應該與光照無關(關了燈還會轉很久就是強而有力的否證)。不過,我認為雕像倒是有可能會有以七天為週期的旋轉規律,也就是雕像會固定在星期幾的某時段旋轉。然後,無論雕像旋轉有沒有七天的週期,我猜想雕像應該是像影片裡頭一樣,轉到面壁就會停止,而不會繼續轉下去。

看到這裡,你可能已經有點不耐煩了。畢竟通篇都是我想,什麼時候輪到你想?這雕像就是在80年的安然無事之後,最近卻開始轉了起來。就算我們真的重複了幾十次的觀察,還做了這些想像實驗,無論發現雕像轉到面壁就停止或可以轉一整圈也好,旋轉時間毫無規律或是有七天的週期也罷,還是沒有回答雕像為什麼轉了起來啊不是嗎?

是的,所以我又要開始我的鍵盤柯南科男推理,並且以另一系列的想像實驗來證明了。

圖片來自http://f90274.pixnet.net/blog/post/28662975-柯南猜謎十題

根據我們僅有的這個旋轉縮時影片,我的確是認為展場光照或人群走動跟雕像旋轉並沒有關係。之所以要設想實驗來證明,是為了要嚴謹的排除這兩個變因的可能性。至於,為什麼我對於雕像旋轉的時段和星期幾那麼在意,在設想實驗之後也不敢排除雕像旋轉有七天週期,以及固定在星期幾的特定時段轉動的可能性,再加上我不時的點出雕像也許是轉到面壁就停止或者是其實可以繼續轉一整圈,都是因為我有一個不一樣的雕像旋轉假說。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

簡單的說,我的假說就是一連串的巧合讓雕像轉了起來。(先別噓,聽我說完)這些巧合分別是:雕像的因素(形狀、材質、表面紋理與重心)、展示櫃的因素(玻璃展面、傾斜程度)、以及外來的能量提供(但絕對不是詛咒或外星人,很抱歉)。

從影片看來,這雕像是由石頭刻成的。根據新聞所說,這是一種叫做蛇紋石的材質,看來除了頗為光滑之外,應該也很沉。而,因為這雕像整體呈個L型,加上對比起底座部分那高聳厚重的直立雕像,我猜想重心或許不會太穩,也因此重心的位置可能偏向底座的前端以增加穩定度(不然雕像很容易往後仰吧?而這個圖片也證實了我的猜測:雕像底座前端的確比較厚),甚至也可能有偏左或偏右(我猜是偏左)。當時的打磨技術想來不會太好,所以底座的底面可能不是精確的平面,因此放在光滑的玻璃表面上可能會只有某些部分與展桌接觸,而不是整個平面與展桌貼合。

而展示櫃裡頭的桌面既然是片玻璃,必定是光滑而少有摩擦力。從影片看來這展示櫃又是靠牆,也許水平就有點抓的不好,靠牆部分可能稍低了點。甚至,也可能是這雕像座落的部分就是特別的向牆面傾斜。

一直以來,如果真如館員所說,這雕像一直都放在這個展示櫃沒有移動過,那麼在沒有外力的影響下,這雕像也就靠著本身的重量和偏歪重心提供的堪可穩定度,以幾個部分而非整個底面跟展示櫃底部的玻璃接觸,相安無事地過了幾十年。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但是,最近應該出現了前所未有的外力傳達到雕像上。因為雕像處在密閉展示櫃中,從影片上也看不到什麼特別的線索,所以我猜想應該是影片中看不見的震動。這震動或許低頻,但是震幅應該不小,而且絕對不是由人群走動所導致,不然雕像就應該只在有人的時候才會旋轉。我猜想,這震動是來自於博物館內最近更新的硬體(例如說新冷氣或是新管線或是新發電機)、或者是館外的硬體工程(例如附近在蓋房子修馬路)造成的。館員們或許對這樣的震動幾乎無感,但是在展示櫃裡面本來就站得如履薄冰的雕像,就因為這個震動而開始搖晃,展示櫃或許因為共振而讓震幅更大,加上本來可能就稍微偏斜的重心,以及水平也許沒抓好、稍斜向牆壁的玻璃展面,於是便開始旋轉了起來。當震動存在的時候就轉,震動停止的時候就不轉,一直到雕像轉到『穩定』的狀態為止—也就是面對牆壁,偏斜的重心直指低處並且正好座落在低處的位置。

也因此,我認為這雕像應該不是剛好轉到面壁被暫停且之後還可以繼續轉,而是面壁才是雕像待在展示櫃中那個地點的最穩定狀態,在這個雕像有重心偏移、玻璃展面也有些微傾斜的前提底下,無論是從星期幾開始,不管要花多久時間,這雕像就是會轉到面壁就停止。這時候,雕像旋轉到底有沒有七天的週期,就不是那麼重要。但是,如果事實是玻璃展面沒有傾斜、雕像也沒有重心偏移的話,那麼照理說雕像就應該沒有所謂的最穩定狀態而會一直轉下去。這時候,影片中雕像面壁就不轉了,很可能就只是旋轉週期中週日週一雕像不轉的巧合。於是,七天循環的雕像旋轉週期就會成為唯一的『雕像面壁就停止』的原因,也因此事關緊要。

而這要怎麼實驗證明呢?

如果要從簡單的開始,那就先用水平儀測量展示櫃的玻璃表面是不是向牆面稍微傾斜,如果是,那麼藉著調整玻璃展面的水平與否,就可以測試這是不是導致雕像轉動的因素之一。但如果玻璃展面沒有傾斜,那…就算了。

另外,在展示櫃裡的玻璃展面上,也可以裝上震動測量器,以監測雕像是不是總在震動出現的時候轉動,並且瞭解震動的形式和震幅。同時,也可以藉由仔細的觀察,看看雕像旋轉的時候兩個表面之間到底是怎麼樣互動的,得到更多的線索。等到觀察告一段落,有點線索(例如知道雕像底面跟玻璃展面的接觸狀況、或是在震動時的互動方式)之後,我們也可以藉著改變展面材質(例如在雕像底下放塊壓克力板或墊張紙)、改變底面與展面的接觸方式(例如加個小架子把雕像側稍稍架高)、或是改變底面和展面的互動方式(例如加個小棉花團或墊塊布吸收震動吃掉空間)等等,來一一確認展示櫃裡的各個因素對雕像旋轉的影響力有多大。

還有,藉著清查雕像開始旋轉的前夕,博物館內外到底有什麼改變,也可能可以找到震動的來源。也許博物館換了冷氣、管線、發電機、或是有哪個格局改變,因此出現了原本不存在的震動源,導致雕像開始旋轉。也可能是館外的工程、修繕、大樓照明、發電機、挖馬路等等傳來的震動,讓雕像轉了起來。總之,一旦找到可疑的震動源,藉著比對震動源的運轉時段、展示櫃裡震動感測器收到的數值、以及雕像旋轉的有無,應該也就可以確定是不是讓雕像旋轉的原因。需要的話,還可以藉著開關震動源(或是說服工地停工),來證實雕像轉動的動力源頭是不是真的來自於此。

照理說,實驗做到這裡應該就可以真相大白打完收工了。但是如果你剛好很閒又很有錢,而且博物館也願意配合的話,其實你也可以好好的測量雕像,在精確量測雕像的尺寸、形狀、重量、材質、重心位置、底面紋理與摩擦力之後,複製出一座擁有相同性質的仿造雕像,以及幾個各只有一個性質不同(例如重心位置、底部紋理、底部平面程度、底面材質等)的A貨雕像。然後拿這些雕像來狸貓換太子,放到原本雕像的展示櫃中,趁著有震動的時候測試到底雕像的哪個性質是轉動不可或缺的重要因子。或者是另外起個玻璃平台,依照玻璃展面的傾斜角度架好,把仿造的雕像放上去,然後接上自製的震動源,依照之前記錄到的震動形式和震幅製造相同的震動,看看是不是能完美重現雕像旋轉的現象。

圖片來自http://big5.china.com.cn/aboutchina/zhuanti/sdfm/2009-01/21/content_17163868.htm

不過啊,落落長的寫到這裡。我突然想到,這雕像最近開始旋轉還有另一個可能,那就是這雕像在最近變成了指南針,所以就開始自己轉向南方了這樣。這個如果要確認當然簡單,就是測量一下雕像的磁性就可以。但是,這下又回到了原本的問題上:本來沒有磁性的,為什麼最近就出現磁性了呢?

再寫另外一系列實驗恐怕會要我的命,我看就當他是木乃伊的詛咒好了。囧興…

文章難易度
YTLai_96
51 篇文章 ・ 29 位粉絲
也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

0

3
3

文字

分享

0
3
3
圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 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?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

圖形處理的例子

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
典型的CPU與GPU架構

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(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)

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。
文章難易度

討論功能關閉中。

賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

1

2
2

文字

分享

1
2
2
原住民祖先見過明亮的南方之星?傳說是真的,而且超過一萬年!
寒波_96
・2023/11/08 ・2777字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

有些故事代代相傳之下,經歷非常漫長的時光。過去很久以後,五百年、三千年或一萬年,都已經是「很久很久以前」,難以判斷到底多久。2023 年發表的一項研究認為,澳洲南方的塔斯馬尼亞島,有個故事似乎能追溯到超過一萬年前。

塔斯馬尼亞的祖傳故事

大英帝國的調查隊抵達塔斯馬尼亞初期,估計島上約六千到八千位居民;原住民們統稱為「palawa」,不過又能分成多個有所區別的族群。英國人在公元 1803 年建立第一個殖民地,然後,不意外地起爭議。

走訪塔斯馬尼亞各地,留下許多紀錄的英國人魯賓遜先生(George Augustus Robinson)。圖/參考資料3

走訪塔斯馬尼亞各地,留下許多紀錄的英國人魯賓遜先生(George Augustus Robinson)。圖/參考資料3

殖民者與原住民的衝突加劇後,1823 到 1832 年間導致約兩百位殖民者及九百位原住民身亡。有些英國人希望能和平解決問題,最終勸誘加上強迫,1829 到 1835 年間將島上的原住民,都成功遷移到位於塔斯馬尼亞和澳洲之間,巴斯海峽的弗林德斯島(Flinders)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

英國人認為這是一次「友善」的轉移任務。以當時狀況而言,確實算是相對和平的收場,但是慘遭強制搬遷的原住民依然損失慘重,人口以外,他們脫離原本的家園「Lutruwita」,文化、語言幾乎喪失殆盡。

遷徙計畫中,英國人魯賓遜先生(George Augustus Robinson)可謂關鍵角色。他走訪塔斯馬尼亞各地,說服原住民搬家,也對當地風俗文化非常好奇,留下大量紀錄。

這些 1830 年代的紀錄,就像塔斯馬尼亞傳統文化的切片。後來有些原住民重返塔斯馬尼亞,試圖擺脫殖民時,英國殖民者當初搜集原汁原味的資料,也成為重建傳統的材料之一。

魯賓遜等人搜集的紀錄來自多位原住民的說法,其中一個故事相當費解,至少當年魯賓遜無法理解,新問世的論文總算揭開奧秘。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

情節湊不上,是因為發生在太久之前

祖先的遷徙故事,提到他們來自一片大陸;後來大陸被海水淹沒,當時岸邊附近有冰山漂浮。那時望向南方的天空,可以見到一顆很亮的星。

塔斯馬尼亞與澳洲之間的地形。兩地之間原本存在陸橋,海水上升後形成巴斯海峽。圖/參考資料1

塔斯馬尼亞原住民一代一代仰望星空,也建立一些自己的天文學知識,被魯賓遜忠實收錄。那顆南方大星星卻令人費解,因為星空中根本沒有符合描述的那顆星。最可能的對象是老人星(Canopus),也稱為船底座α(α Carinae)。

星空中最亮的是天狼星,第二就是老人星,顯然它非常顯眼,可是位置明顯有差。是原住民唬爛,還是魯賓遜唬爛,或是魯賓遜紀錄錯誤呢?新的分析指出,他們都是正確的,因為一萬兩千年前的星空,老人星確實處於故事中的那個位置。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

首先,故事提到祖先前來的道路被大海淹沒,冰山在岸邊漂浮。對照現代科學知識,能輕易推論這講的是冰河時期結束,海平面上升,淹沒澳洲與塔斯馬尼亞之間的陸橋,形成巴斯海峽,讓塔斯馬尼亞成為一個四面環海的島。

接著是星空為什麼不同?從地球表面仰望夜空,星星的分布位置會由於「歲差」緩慢改變。回溯調整成一萬多年前的星空,老人星的確就在那兒。

地表很多位置都能見到南方明亮的老人星,不同民族、文化各有自己的想像。台灣人即使沒有親眼注意過,也肯定知道老人星,因為這就是福祿壽中的「壽星」,形象化叫作南極仙翁。

有趣的是,中文名字叫老人星,英文名字 Canopus 則來自特洛伊戰爭傳說中的一位年輕人,他是航海家,後來不幸在埃及被毒蛇咬死……所以中國想像這顆星是老人,歐洲卻想像是年輕小夥。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

回溯塔斯馬尼亞 1831 年 8 月 1 日,凌晨 5 點時的星空。圖/參考資料1

難以理解的時候,先忠實紀錄

考慮到魯賓遜紀錄的日期是 1830 年代,更加深故事的真實感,因為當時英國人還不知道「冰河時期結束導致海面上升」。阿加西(Louis Agassiz)首度宣稱冰川歷史的想法要等到 1837 年,更多年後取得較多支持,十九世紀後期才廣為人知。

魯賓遜等歐洲人對聽到的故事內容難以理解,他們或許會聯想到聖經的大洪水,但是完全想像不到冰河時期。所以這些內容,大概更能免於印象或偏好影響,反映忠實的紀錄。

據此推敲,塔斯馬尼亞祖傳故事講的是:「大約 1.2 萬年前海水上升之際,明亮的老人星在那個位置」。如果推論正確,這便是傳承 1.2 萬年的口述歷史,堪稱全人類罕見的文化遺產。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

有人或許會好奇,一些研究認為早在四萬年前,已經有人穿過澳洲,抵達塔斯馬尼亞。可是島上原住民的祖先故事,卻是一萬多年前?

我想可能是因為,記憶對於愈久遠的事情常常會愈壓縮,把更早發生的事情疊加到比較近期,印象很深的事件中。或許原住民的祖先很早就過去,但是海水上升淹沒陸橋令人印象太過深刻,就變成故事的素材。

另一件啟示是,世界上不知道的事情太多了,當你不太理解聽到什麼的時候,不要試著腦補,就照聽到的忠實紀錄下來!

延伸閱讀

參考資料

  1. Hamacher, D., Nunn, P., Gantevoort, M., Taylor, R., Lehman, G., Law, K. H. A., & Miles, M. (2023). The archaeology of orality: Dating Tasmanian Aboriginal oral traditions to the Late Pleistocene. Journal of Archaeological Science, 105819.
  2. Rising seas and a great southern star: Aboriginal oral traditions stretch back more than 12,000 years
  3. GEORGE AUGUSTUS ROBINSON
  4. 老人星名字來源神話人物 Canopus 維基百科

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
所有討論 1
寒波_96
193 篇文章 ・ 1066 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
福爾摩斯碰上古人類化石,可是日期不太對勁?
寒波_96
・2023/03/08 ・2782字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

虛構人物福爾摩斯,就是偵探的代名詞。英國小說家柯南道爾創作的這位名偵探,活躍於 19 世紀晚期到 20 世紀初期,那時古人類學已經起步,博學多聞的福爾摩斯應該有機會知道某些化石。奇妙的是,他竟然還見過尚未出土的死人骨頭?

請注意,本文包含古人類遺骸的圖像。

圖/參考資料

福爾摩斯遇見古人類化石

柯南道爾的故事設定中,福爾摩斯是存在於現實歷史的虛構人物。例如故事中公元 1896 年發生的事件,現實中也應該在這個時候上演,而 1899 年更晚的事情還沒有發生。

短篇小說《三名同姓之人(The Three Garridebs)》,以一個罕見姓氏 Garridebs 導引出簡短卻高潮起伏的探案。故事中有一位角色喜歡收藏古物,也包括幾件人類化石。

華生醫師第一人稱的描述是:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「當我環顧四周,我驚訝於此人興趣之廣。這兒是一箱古錢幣。那兒有一櫃子的燧石工具。中間桌子後方是個裝著化石骨頭的大櫃子,裡頭擺著一排石膏頭骨,有尼安德塔人(Neanderthal)、海德堡人(Heidelberg)、克羅馬儂人(Cro-Magnon)等名字標示。很顯然他是許多主題的學習者。」

「As I glanced round I was surprised at the universality of the man’s interests. Here was a case of ancient coins. There was a cabinet of flint instruments. Behind his central table was a large cupboard of fossil bones. Above was a line of plaster skulls with such names as “Neanderthal,” “Heidelberg,” “Cro-Magnon” printed beneath them. It was clear that he was a student of many subjects. 」

故事中這位角色有哪些收藏品並不影響劇情,不過敘述這般瑣碎的細節,有助於強化真實感,算是一項創作技巧。這些頭骨化石不是原件,而是石膏複製品(plaster skulls),也證實角色自稱家中藏品沒什麼值得偷竊的價值。

可是故事開頭,華生醫師十分明確表示此案發生在 1902 年:

「那日期我記得特別熟,因為福爾摩斯在同一個月,拒絕一項也許有一天會講出來的爵位。……然而我重申,這使我能夠確定日期,亦即 1902 年 6 月下旬,南非戰爭結束後不久。」

「I remember the date very well, for it was in the same month that Holmes refused a knighthood for services which may perhaps some day be described…… I repeat, however, that this enables me to fix the date, which was the latter end of June, 1902, shortly after the conclusion of the South African War. 」

這兒提到 1902 年結束的南非戰爭是「第二次波耳戰爭」。真實歷史中,那時柯南道爾已經靠著福爾摩斯成為知名作家;他以醫師的本行親自參戰,擔任軍醫而受封爵士,也是柯南道爾爵士(Sir Arthur Ignatius Conan Doyle)名號中「爵士(Sir)」的由來。

對照如此明確的日期,令人愈想愈不對勁。與尼安德塔人並列的「Heidelberg」顯然指的是 Homo heidelbergensis ,但是第一件海德堡人化石要等到 1907 年才在德國出土,更早的 1902 年絕不可能存在石膏複製品,被福爾摩斯與華生見到。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
1907 年在德國出土的海德堡人下顎化石「Mauer 1 」。圖/Radiometric dating of the type-site for Homo heidelbergensis at Mauer, Germany

容易起爭議的海德堡人

解開此一謎題大概不需要福爾摩斯的推理能力。《三名同姓之人》於 1924 年發表,那時海德堡人大概已經有點名氣,被取材用於偵探故事中增添血肉。柯南道爾與編輯卻沒有注意到 1902 年之際,海德堡人仍不存在。

另一方面,即使是故事發表的 1924 年,「海德堡人」也應該還沒有頭骨,不會有石膏複製品。1907 年出土,隔年公開的化石 Mauer 1 只有下顎,沒有頭骨。

1921 年在非洲南部 Kabwe 出土的化石包括頭骨,但是當時將其分類為羅德西亞人(Homo rhodesiensis),多年後才歸入海德堡人旗下。這條消息或許影響過柯南道爾 1924 年發表的創作,詳情不得而知。

1921 年在尚比亞出土的頭骨化石「Kabwe 1 」,早期被分類為羅德西亞人,後來也被歸類為海德堡人。圖/史密森尼學會(Smithsonian)教育網站

Kabwe 在 1921 年屬於大英帝國的北羅德西亞(Northern Rhodesia)殖民地,現在則是尚比亞的疆域。有人主張這群死人骨頭算是非洲的海德堡人,也有人認為是不同的羅德西亞人,還有人提出應該歸於波多人(Homo bodoensis)……反正一百多年來,海德堡人的爭議持續不休,即使配備福爾摩斯的智謀,大概也無法解開這些難題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

故事中海德堡人以外的兩款化石,尼安德塔人最初問世於 1856 年,克羅馬儂人則是 1868 年。到 1902 年都已經是特定圈子內普及的知識,也買得到石膏頭骨複製品,可謂有血有肉的安排。

大英帝國的榮耀

古人類化石中,1924 年的柯南道爾想必也知道皮爾當人(Piltdown Man)。這是英國人 1912 年偽造的化石,由紅毛猩猩和數百年前的智人骨頭加工而成,但是要等到 1953 年才證實造假。

圖/參考資料

捏造的皮爾當人被不少英國人認同,也騙過不少專家,讀過《三名同姓之人》好像能稍加體會時代背景。

故事中那位收藏家以史隆(Hans Sloan,1753 年去世後他的收藏催生出大英博物館)為楷模,實則相當平凡。他的藏品應該能代表當時對人類化石的普遍印象,也就是說,德國出土的尼安德塔人、海德堡人,以及法國出土的克羅馬儂人……榮耀的大英帝國豈能忍受!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可惜 1910 年代以後,福爾摩斯便退隱江湖不再辦案。否則以他的才智展開調查,哪需要等 40 多年才確認皮爾當人造假!

不追究那些死人骨頭,《三名同姓之人》也相當有意思。故事雖短,卻發生壞人打槍、華生流血,福爾摩斯激動、華生興奮、福爾摩斯用小刀割開華生褲子等情節,鐵與血的糾葛、靈與肉的碰撞,亂七八糟的 ❤️

延伸閱讀

參考資料

  1. 《三名同姓之人》小說原文:THE THREE GARRIDEBS

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
193 篇文章 ・ 1066 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。