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果糖可能不是洪水猛獸,但是要健康就不要吃太多糖

葉綠舒
・2013/07/19 ・5112字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

大家第一次嚐到甜味的經驗是什麼呢?糖果?冰淇淋?在2011年2月的YouTube中,寶寶奧利維亞第一次嚐到香草冰淇淋時,臉上充滿了歡喜。當她的哥哥丹尼爾拿著蛋捲冰淇淋走近她時,她揮舞著她的胳膊,整個身體彎過去想要拿到它。

公元前500年人們就已經會製造粗糖了。 圖片來源:維基百科。

考慮到我們的細胞需要糖作為能源的這個因素,我們生來愛甜味是有道理的。但是我們吃多少糖,如何取得糖,以及糖如何進入人體,隨著時間過去已經發生了巨大的變化。人類開始務農之前,糖的來源完全來自於當地當令的植物和動物,那時候,我們的祖先沒有辦法多吃糖。直到公元前6000年,新幾內亞的人開始種甘蔗,咀嚼莖稈以吸取裡面的甜汁。甘蔗種植逐漸傳播到印度,在公元前500年時,人們已經學會用甘蔗汁製造粗糖。糖從那裡被移民和僧侶帶到中國,波斯,北非,並在11世紀傳到歐洲。

1800年代晚期位於留尼旺島(在馬達加斯加東邊, 現在是法國海外省)的甘蔗園。圖片來源:維基百科

糖在歐洲有超過400年的時間是具有異國情調奢侈的的奢侈品,直到製造業可以大量生產這些「白色黃金」,使它以更實惠的價錢販售,才開始能夠普及。1493年,哥倫布將甘蔗帶到美洲,歐洲列強更在16世紀和17世紀於西印度群島和南美洲建立了大片的甘蔗園。因此,英國人在18世紀和19世紀之間的食糖消費量增加了1500%(依據《上癮五百年》,英國人每人消耗的糖,從1700年的兩公斤,到1890年代的40公斤,2)。到19世紀中葉,歐洲人和美國人已經把白糖當作一種生活必需品。今天大多數的加工食品(從麵包,麥片,鬆脆的小吃和甜點,汽水,果汁,沙拉醬和醬汁)中都有加糖,甚至我們也在未加工的食品中加糖來增添風味。

吃太多糖不只是意志薄弱的問題,根據一群醫生,營養師和生物學家的說法,吃太多糖是會中毒的。這些專家中最有名的成員是加州大學舊金山分校的Robert Lustig教授。他還製作了一個YouTube節目「糖:苦澀的真相」。有幾個記者,如Gary Taubes and Mark Bittman,也得出了類似的結論。他們認為糖所造成的危險不只是蛀牙和鮪魚肚(按:原文為love handles,依據維基百科應該是鮪魚肚),它會損害我們的器官,並擾亂體內的荷爾蒙週期。吃太多糖,是造成肥胖和代謝性疾病(如糖尿病)的主要原因,同時也是心血管疾病的罪魁禍首之一。在美國,超過三分之一的美國成年人,還有大約一千兩百五十萬的兒童和青少年有肥胖的問題。1980年有五百六十萬美國人患有糖尿病,到2011年已經超過兩千萬。

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糖是一種毒素的說法,是取決於人體從不同類型的糖獲得能量的細節。現今美國人(臺灣人也一樣)主要以兩種形式吃糖:蔗糖和高果糖玉米糖漿。蔗糖,是由一個葡萄糖分子和一個果糖分子組成的雙糖。在20世紀60年代,新的技術使美國玉米產業可以以低廉的成本,將來自玉米的葡萄糖轉換為果糖,生產高果糖玉米糖漿。雖然它的名字叫做「高果糖」玉米糖漿,但是果糖和葡萄糖的比例幾乎是相等的:它含有55%果糖,42%葡萄糖和百分之三其他糖類。由於果糖的的甜度是葡萄糖的兩倍左右,作為一種廉價的糖漿,用來取代從甘蔗和甜菜而來的蔗糖,(對廠商來說)是非常有吸引力的。(筆者按:因為蔗糖在常溫下是固體,需要加熱溶解;而高果糖玉米糖漿是液體,所以對於食品製造商來說,少了一個溶解的步驟,可以節省很多成本。)

無論我們吃的糖來自哪裡,我們的細胞會優先使用果糖和葡萄糖,而不是較大的蔗糖。腸道內的酶在幾秒鐘內就會把蔗糖分割成葡萄糖和果糖,所以對人體而言,蔗糖與高果糖玉米糖漿是一樣的。但是對於其組成分子卻不盡然如此。葡萄糖通過血液運輸到我們全身的組織,因為所有的細胞都能將葡萄糖轉化為能量。相比之下,只有肝細胞以及極少數的其他細胞,可以將果糖轉化為能量,也就是說果糖代謝幾乎完全靠肝臟負責。肝臟主要是將果糖轉化成葡萄糖和乳酸。吃太多果糖會對肝臟造成負擔:肝臟要花許多的精力轉化果糖,造成其他功能無法執行,產生尿酸,造成痛風,腎結石和高血壓。

人體嚴格調節在血液中的葡萄糖(俗稱血糖)濃度。葡萄糖刺激胰臟(中的胰腺)分泌胰島素,這有助於從血液中移除多餘的葡萄糖,並刺激瘦體素產生,從而抑制飢餓感。果糖不會刺激胰島素分泌而且還會提高grehlin的產生,使我們更饑餓。

一些研究人員認為,吃太多果糖會使人們吃的比他們實際需要的更多。由加州大學戴維斯分校的研究顯示,吃太多果糖造成脂肪生產增加(尤其在肝臟),血液中的三酸甘油酯升高,這些都是動脈堵塞和心血管疾病的危險因子。有些研究發現脂肪肝與胰島素阻抗有關。胰島素阻抗是細胞對胰島素的反應比平常低,造成胰腺需要製造更多的胰島素,直到它失去正確調節血糖的能力。科羅拉多大學丹佛分校的Richard Johnson認為果糖代謝產生的尿酸也促進了胰島素阻抗。而胰島素阻抗也被認為是導致肥胖和第二型糖尿病的主要因子;這三種疾病常常一起出現。

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果糖(fructose)的結晶。最近這幾年的研究,似乎發現果糖 對人體有百害而無一利,真的嗎?圖片來源:維基百科

因為果糖的代謝似乎啟動了對身體有害的連鎖反應,Lustig以及其他的專家們認為果糖是糖家族中的爛蘋果。當他們說糖是毒素時,他們指的是果糖。然而,在過去的幾年中,其他的生物化學和營養專家對於果糖會威脅到我們的健康提出質疑,並認為即使以葡萄糖或其他糖來取代果糖也沒有用。首先,果糖專家John White指出,果糖消耗已經連續下降超過十年,但是肥胖率在這十年中持續上升。當然,光是看兩個趨勢並不能表明什麼。一個更有力的批評是有關果糖的研究都是建立在消耗了大量果糖的老鼠和人,研究中最多的多達每天300克,相當於一天喝八罐可樂,或是將飲食中絕大多數的糖都以果糖取代。事實上大多數人不會吃那麼多果糖,而且也很少光吃果糖不吃葡萄糖。

美國人和歐洲人平均每天吃100至150克的糖(相當於一年36.5到54.7公斤),其中大約有一半是果糖。要找到一個區域的人只吃含有葡萄糖不含果糖(或是含果糖不含葡萄糖)的食物是很難的。幾乎所有的植物都含有葡萄糖,果糖和蔗糖,而不是單一種。雖然有些水果(如蘋果和梨)果糖的含量是葡萄糖的三倍;但是大部分我們吃的水果和蔬菜含有相等比例的果糖與葡萄糖。例如,鳳梨,藍莓,桃子,胡蘿蔔,玉米和高麗菜,兩種糖的比例約為1:1。Taubes在紐約時報的一篇文章中聲稱「果糖是區別糖與其他富含碳水化合物的食物的點。

其他碳水化合物(如麵包或馬鈴薯),經過消化分解只會產生葡萄糖。」這不是事實。雖然馬鈴薯和麵包都充滿澱粉(長鏈葡萄糖分子),他們也含有果糖和蔗糖。同樣的,Lustig聲稱,日本人的飲食可以促進減肥,是因為它是無果糖飲食;但是日本人每天也要吃大約83克的糖(來自於含果糖的水果,甜飲料和許多精心製作的糖果)。高果糖玉米糖漿的開發,有一部分的工作是由日本研究員高崎市美幸在20世紀的60年代到70年代負責(筆者按:其實還是比歐美的人少)。

蘋果與梨的果糖含量是葡萄糖的三倍,由於果糖的甜度 是葡萄糖的兩倍,或許這就是為和蘋果受人喜愛的原因? 圖片來源:維基百科

在一系列的大規模分析研究中,多倫多的聖邁可醫院的John Sievenpiper和他的同事發現果糖對於體重,血壓升高或尿酸產生沒有影響。在2011年的一項研究中,Archer Daniels Midland(重要的食品加工公司)的營養科學家和他的同事,分析了從1999年到2006年間收集到的兩萬五千多個美國人吃糖的資料。他們的分析證實,人們幾乎從來不會只吃果糖,而且超過97%的人從果糖獲取的能量少於其他醣類。他們沒有找到任何果糖與三酸甘油酯,膽固醇和尿酸,腰圍或身體質量指數(BMI)的顯著的相關。在最近的BMC Biology Q&A裡,著名的糖專家洛桑大學的Luc Tappy寫道:「有鑑於我們的飲食中的果糖,主要來自含糖飲料,甜食和加糖的玉米脆片(cereal),果糖作為一種可有可無的營養素,在減肥計劃中限制糖的食用,或是對於具有發生代謝疾病風險的人來限制糖的食用,是安全的。

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然而,沒有證據顯示,果糖是唯一的,或甚至是主要造成這些疾病的發展的因素,也不是對每個人都有害。」不僅許多令人擔憂的果糖研究使用了不切實際的劑量的果糖,使用老鼠為研究模型來研究果糖代謝的研究人員,也發現老鼠使用了非常不同方式來代謝醣類。在以同位素追溯果糖的人體旅程的研究中發現,肝臟將高達50%的果糖轉化為葡萄糖,大約30%的果糖轉化成乳酸,只有不到百分之一轉化成脂肪。相比之下,大鼠和小鼠將超過50%的果糖轉化成脂肪,所以用這些動物來研究果糖的代謝,可能會誇大果糖對人類的害處,特別是動脈阻塞,脂肪肝和胰島素阻抗。

David Ludwig教授(同時也是紐巴倫基金會肥胖防治中心主任)說,要正確了解果糖的代謝,我們還必須考慮我們以什麼樣的形式吃糖。當我們喝汽水或吃冰淇淋時,我們的腸子和肝臟湧入大量的果糖。相對的,當我們吃蘋果時,果糖不會在瞬間全部到達肝臟。水果中的纖維素,只有我們的腸道細菌能分解,這大大的放慢了消化速度。這不只是食物纖維,還有它的結構。我們的酶必須先弄破蘋果的細胞,才能接觸到深藏其中的糖。

Ludwig說:「你可以在可口可樂裡面添加Metamucil(一種具有通便效果的纖維補充劑,主要的原料是車前草種皮)但是不會得到任何好處。」在一個小而有趣的研究裡,17名南非的成人吃水果餐(每天約20份水果)24個星期,相當於每天吃大約200克的果糖;結果他們並沒有發胖,或是罹患高血壓或胰島素和血脂濃度不正常。

為了強化他的論點,Ludwig使用升糖指數(糖生成指數,GI),衡量食品如何快速提高血液中的葡萄糖濃度。純葡萄糖和澱粉的食物,例如馬鈴薯,具有較高的升糖指數;果糖的非常低。 如果果糖是唯一導致肥胖和糖尿病的因子,而葡萄糖是良性的因子,那麼高血糖指數的飲食不應該與代謝疾病相關,但事實上它們是相關的。事實上,世界人口的一小部分可能因為代謝果糖有困難,而使得食用大量果糖對健康有危害;但是,現有的證據表明,對於大多數人來說,典型膳食中的果糖含量是沒有毒性的。

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不過,即使Lustig對於果糖有毒的看法是錯誤的,但是他最基本的指示:少吃糖,是正確的。為什麼呢?因為超甜的食物(能量密度高但營養價值不大的食物)是我們為何攝取比我們需要更多的熱量的主因。這可能是個難以接受的事實,許多我們最喜愛的甜點,零食,玉米脆片,尤其是我們最愛的飲料,將我們的身體以遠超過它可以有效地代謝的糖分淹沒。奶昔,果汁,碳酸飲料,能量飲料,甚至不加糖的果汁都含有大量的糖可以被我們的消化系統瞬間吸收。

都不吃糖也不是什麼靈丹妙藥(筆者按:完全避免糖份的飲食其實不可能,因為蔬菜水果裡面含有糖份,肉類裡面有肝醣。飲食中糖份太低對身體是有害的,因為我們的身體優先利用醣類,其次是脂肪,再其次才是蛋白質。都不吃糖,會使得身體燃燒脂肪與蛋白質,有導致酮酸中毒ketoacidosis的風險。)。健康的飲食並不是只有拒絕第二塊方糖,或是把餅乾藏在櫃子裡不吃。我們要怎麼處理我們的飲食中所有多餘的脂肪(很多都是搭配著糖)呢?壞的膽固醇和鹽又要怎麼處理?

Sievenpiper說:「如果有人越來越胖,糖的攝取是一定要減少的,但不要以為減少糖份的攝取後,我們就會成功減肥。肥胖比這複雜多了。在臨床上,的確有人是因為喝太多汽水和飲料發胖,但大多數人都只是吃太多。然後還要吃更多的雜糧、水果和蔬菜、魚、瘦肉。但是,均衡飲食只是健康的生活方式的一部分。我們需要運動來鍛練我們的心臟,加強我們的肌肉和骨骼,並保持靈活。運動,少吃加工食品,聽起來太簡單了,但比在我們的飲食中醜化單個分子來說,是一個更加細緻入微的方法。美國人從1970年和2000年之間,每年每天多攝取530卡路里的同時,體力活動也越來越少。真理是:大部分的人都應該努力吃少一點糖,但如果我們真正致力於保持健康,我們還要做更多。

筆者按:臺灣人民平均每日熱量攝取量在1935-54年時為1,915大卡,2011年時為2,685大卡,雖然比起90年代時(94年為2,904大卡)較為減少,仍然超出衛生署建議值(2,200大卡)甚多。(資料來源:行政院農委會)但是,農委會所提供資料為供應量,因此筆者再試著查詢之後,依據潘文涵等人的資料顯示,在1993-96年之間,國人每日攝取的熱量約為1960大卡。雖然平均而言熱量攝取並未超標,但國人運動量非常不足,應是近年來生活形態疾病(糖尿病、高血壓、心血管疾病)穩居十大死因的原因之一。

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參考文獻:

  1. Is Sugar Really Toxic? Sifting through the Evidence[July 15, 2013]
  2. David T. Courtwright. 上癮五百年. 薛絢譯.
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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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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

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  • 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。

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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:

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  • 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

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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。

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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?

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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?

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(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。
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賴昭正_96
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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。

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想要減肥或控制體重?先散步評估一下吧!——《大自然就是要你胖!》
天下文化_96
・2024/07/02 ・1877字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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恢復初始體重與延長健康壽命

身體的能量大多由細胞裡的能量工廠產生,也就是粒線體。這種能量以 ATP 的形式存在,用來驅動體內種種的生物過程,維持新陳代謝。攝取果糖後,身體會產生尿酸,對能量工廠造成氧化壓力,導致 ATP 產量減少,最後果糖所含的熱量會以脂肪和肝醣的形式儲存在體內。這個過程能幫助我們儲備能量,以因應食物不足的狀況。

生存開關活化所產生的氧化壓力,可能對細胞內的能量工廠和身體其他部位造成損害。在自然界中,這種氧化壓力通常為時短暫,能量工廠很快就會恢復正常運作。相對之下,現代人體內的生存開關卻是全年無休、火力全開。原本是為了生存而暫時抑制粒線體的能量產生,沒想到卻變成一種永久的枷鎖,並帶來嚴重的後果。

長期暴露在慢性氧化壓力中,會使能量工廠的結構發生變化。粒線體會變小,功能下降。即使在生存開關並未活化的狀況下,粒線體產生的能量也不復以往。這等於重新設定了新陳代謝的基礎值,降低能量的產生和使用,隨之而來的便是體重增加。因為身體現在認定減重前的體重才是正常,所以將體重減輕視為生存威脅,於是調整新陳代謝速率做為因應。這時,你的新陳代謝就成為你的敵人!

長期暴露在慢性氧化壓力中,粒線體會變小,降低能量的產生和使用,隨之而來的便是體重增加。因為身體現在認定減重前的體重才是正常,所以將體重減輕視為生存威脅,於是調整新陳代謝速率做為因應。圖/envato

生存開關長期處於活化狀態,不只會影響體重和能量。現在更有證據指出,慢性或反覆出現氧化壓力,也會導致人體老化,於是皮膚出現皺紋,內臟器官緩慢磨損。所有的食物攝取,多少都會對能量工廠造成氧化壓力(第一章曾說過,減少熱量攝取可能延長壽命,原因可能正是在此)。然而,與其他營養相比,攝取果糖對粒線體造成的氧化壓力要大得多。

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在我看來,若能在粒線體受到永久損傷之前,及早對肥胖症展開治療,效果最好。的確,我個人的經驗是,兒童和青少年的肥胖症比較容易治療,只需要改變飲食,減少攝取會活化生存開關的食物,因為年輕人仍然擁有大量功能正常的粒線體。相較之下,要治療肥胖症的長期患者挑戰就高得多,因為他們的能量工廠長期承受慢性的氧化壓力。然而,任務仍然可能達成,關鍵在於恢復粒線體。

要治療肥胖症,就得增加粒線體的產能

我們被「鎖定」在高體重和低能量的狀態,這聽來真是令人沮喪,但這種狀態並非不能改變,能量工廠是可復原的。基本上有兩大方法,首先,盡量減少對能量工廠的損害,讓它們有時間自然恢復。這種方法主要著重在中止生存開關持續活化。其次是積極修復能量工廠,甚或是增加生產粒線體,以彌補失去的數量。

評估粒線體的健康,你可以從散步開始!圖/envato

在討論如何達成這兩項目標之前,我想先提供簡單的方法,讓你評估自己能量工廠的健康狀況:觀察自己的自然步態,也就是平時的行走速度。你可以記錄自己繞行附近一個街區的時間,同時佩戴計步器計算步數,然後算出每秒行走的步數和距離。另一種方法更簡單,只要記錄繞行街區的時間,將現在的時間與之後的時間進行比較,就能判斷粒線體的健康狀況是否改變。重點在於測量時要採行自然步態;換句話說,行走時請勿故意加快腳步。正常的步行速度約為每秒 1.2 公尺,但每秒 0.6 至 1.8 公尺都算正常範圍。我建議把目標設定為每秒 1.2 公尺以上。長期超重的人步行速度通常較慢,平均約為每秒 0.9 公尺。

研究顯示,自然步行速度與粒線體的品質呈現正相關,步行速度較快的人壽命較長,整體健康狀況也較好。步行速度減慢可能是因為骨骼肌疲勞增加,或 ATP 濃度低。值得注意的是,年輕超重者的步行速度往往與其他年輕人相似,但隨著年齡增長,超重者和正常體重者之間的步行速度差異會愈來愈大。

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我鼓勵你去散步,評估你的自然步行節奏。這可幫助你深入了解減肥和維持體重的難易程度,不僅如此,長期監控自己的自然步行速度,還有助於評估體重控制的整體進展。

——本文摘自《大自然就是要你胖!》,2024 年 06 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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喝糖比吃糖更肥?飲料慢慢喝比較不會胖!——《大自然就是要你胖!》
天下文化_96
・2024/06/25 ・1953字 ・閱讀時間約 4 分鐘

飲料中的添加糖和食物中的添加糖,造成的影響有所不同嗎?

如果生存開關的啟動只與熱量有關,無論是吃軟糖,還是喝汽水,高果糖玉米糖漿所產生的作用理當一樣。但事實並非如此,喝糖通常比吃糖更糟得多。為什麼會這樣?生存開關是由於肝臟中的 ATP 濃度下降所觸發,因此關鍵在於有多少果糖到達肝臟。如果肝臟接收到大量果糖,則 ATP 會大幅下降,刺激生存開關強烈反應。倘若只有少量果糖到達肝臟,果糖代謝效應會比較溫和。這意味著,儘管我們在談論生存開關時,一直將它簡化為一種按鈕,可控制為開或關,但實際狀況比較像是可調整強度的旋轉鈕,會根據狀況產生強弱不同的反應。

換句話說,肝臟的反應是依據接收到的果糖濃度,而不是果糖量。比起果糖一次全部進入的狀況,當果糖緩慢進入時,肝臟接觸到的果糖濃度會比較低。也因為如此,軟性飲料比固體糖類更容易啟動生存開關。軟性飲料含有大量的糖分(以 600 毫升的汽水為例,當中含有約 17 茶匙的高果糖玉米糖漿,其中約 9 茶匙是果糖),通常幾分鐘即可喝完,而且由於是液體,不需要消化,這會讓肝臟中迅速充滿果糖和葡萄糖。相較之下,固體食物必須經過消化,需要更長的時間才能到達肝臟。(這也是完整水果較不易啟動生存開關的原因,因為水果纖維有助於減緩吸收。)因此,固體食物中的果糖到達肝臟的速度較慢,不會讓生存開關一下子轉到最強狀態。

營養學家兼遺傳學家斯皮克曼(John Speakman)進行的實驗證實了這一點,他發現餵食液體糖的小鼠,比餵食固體糖的更肥胖。人體臨床研究也比較食用液體糖(來自軟性飲料或其他飲料)和固體糖(來自糖果和甜點)的差別,所有證據都指向同一個結果:液體糖導致肥胖和(或)糖尿病前期的可能性,比固體糖更高。在一項研究中,將年輕受試者隨機分成兩組,一組每天喝一杯 240 毫升的軟性飲料,一組吃下含糖量相等的軟糖,持續四週,然後恢復正常飲食,也持續四週,並在這段「淨化」期之後,讓兩組受試者交換,原本喝軟性飲料的改吃軟糖,反之亦然,再持續四週。試驗結束時,研究人員發現,受試者在「喝糖」期間攝取的總熱量,比「吃糖」期間多了約 17%。在喝了四週的軟性飲料後,受試者的體重增加,脂肪也增加。相較之下,吃軟糖的四週內,他們的體重並未增加。

液體糖導致肥胖和(或)糖尿病前期的可能性,比固體糖更高。圖/envato

液體糖比固體糖更容易導致肥胖,而且喝液體糖的速度也會造成影響。為了證明這一點,我們在伊斯坦堡科曲大學的合作夥伴坎貝,提供蘋果汁給志願的受試者,這些蘋果汁內的果糖含量與軟性飲料相似。坎貝讓一半的人在 5 分鐘內喝下 500 毫升果汁,另一半則是每隔 15 分鐘喝下 125 毫升,用一小時喝完 500 毫升的果汁。一小時結束時,雖然兩組人喝下的蘋果汁分量一樣,但兩組間的差異卻非常驚人。5 分鐘內喝完蘋果汁的人,體內的尿酸和血管加壓素(肥胖荷爾蒙)快速增加。相較之下,花一小時喝完蘋果汁的受試者,尿酸和血管加壓素的變化比較緩和。由於尿酸和血管加壓素升高相當於生存開關活化的證據,這表示如果一定要喝軟性飲料,慢慢享用會比大口豪飲來得安全。

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含糖飲料慢慢喝會比大口豪飲來得安全。圖/envato

幾年前,曾有人基於軟性飲料含糖量高,提議紐約市政府對軟性飲料課稅。軟性飲料業者指出其他食品也含有大量的糖,專挑軟性飲料課稅並不公平。基於這項爭議,再加上其他因素,飲料稅法案最後沒有通過。但根據前面提到的研究,軟性飲料業界的論點其實有誤。

根據液體糖和固體糖的研究,還可以得到一個結論:「魚與熊掌或許可以兼得」。也就是說,享用富含糖類的甜點時,如果吃得夠慢,或許可能避免觸發生存開關。這時蛋糕就只是熱量而已。問題是,要慢慢的吃甜點幾乎是不可能的事!

喝軟性飲料時不能大口暢飲,而得用一小時的時間慢慢啜飲完畢,也同樣不容易。另外,與其單獨飲用軟性飲料,不如在用餐之間慢慢喝,畢竟邊吃邊喝,讓液體中的糖與食物混合,可減慢吸收速度。

重點

液體糖比固體糖更有害,大口喝下軟性飲料是啟動生存開關最有效的方法。含糖軟性飲料、能量飲料、果汁、含糖的茶和咖啡,全都應該避免。如果偶爾想放縱一下,請放慢飲用速度,並一定要與食物搭配。

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——本文摘自《大自然就是要你胖!》,2024 年 06 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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