牛皮癬可能與腎臟疾病有關聯？

• 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。

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《腰痛竟是腎中風！心房顫動莫輕忽，冷凍導管消融術解析，心臟專科醫師圖文懶人包》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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「有一位 40 歲的男士，因為左腰痛來到急診室。」新竹馬偕醫院心臟內科林柏霖醫師表示，「檢查發現，居然是心房顫動造成的血栓流到腎動脈，而造成腎臟中風。」

經過醫療團隊緊急手術，取出左腎動脈裡的血栓，成功保住了腎臟。林柏霖醫師說，為了避免心房顫動持續形成血栓導致嚴重併發症，建議患者要積極處理。該患者選擇接受冷凍導管消融術，順利恢復正常心律，也預計未來再度中風的風險會降低。

心房顫動為臨床常見的一種心律不整，好發在 65 歲以上的中老年人身上，因此隨著台灣人口老化的趨勢，患病人口的比例也越來越高。林柏霖醫師說，高血壓、高血脂、糖尿病、心肌梗塞、心臟衰竭等皆是引起心房顫動的危險因子。另外，像是甲狀腺亢進、肥胖、睡眠呼吸中止症也會增加心房顫動的風險。

心房顫動是心房受到異常電訊號刺激而出現快速且不規則收縮，在台灣的盛行率大概是 1% 至 2%。林柏霖醫師表示，心房顫動發作時大約 20% 的病人沒有明顯症狀，所以完全不曉得自己的心律有問題。由於心室收縮的速率可能忽快忽慢，患者可能出現心悸、胸悶、頭暈、虛弱無力、呼吸急促等症狀。

同時心房顫動可能導致血液滯留，而漸漸形成血塊。林柏霖醫師解釋，當血塊脫落，隨著血液流出心臟，就會造成嚴重併發症。比如血塊流入冠狀動脈，會造成心肌梗塞；血塊流入腦部，會造成腦中風；血塊流入腎臟，會造成腎中風；血塊流入腸系膜，會造成腸中風；血塊流入四肢，會造成肢體中風。這些併發症都相當棘手，可能導致失能，甚至危及性命。

林柏霖醫師強調：「心房顫動會大幅提高中風的風險，最好能早期發現，早期介入治療！」

民眾可以透過例行性健檢中的心電圖診斷心房顫動，不過尚有部分患者屬於陣發性心房顫動，偶而發作後過一陣子又恢復正常心律。林柏霖醫師說，若必要時可使用 24 小時連續心電圖或是植入式心律監測器，長時間紀錄心律，才能夠正確診斷。目前則有些智慧型穿戴裝置亦提供測量心電圖的功能，若發現心律異常的狀況，務必盡快就醫，由心臟科醫師進行判讀。

積極治療心房顫動，才能降低中風風險

心房顫動的治療方式，可以用 ABC 口訣來說明。林柏霖醫師說，A 是 Anticoagulant（使用抗凝血劑）；B 是 Better Rhythm Control（積極控制心律）；C 是 Comorbidity（治療共病症），針對心房顫動患者，必須同時治療各種共病症，例如高血壓、高血脂、糖尿病等。

使用抗凝血劑，能夠避免形成血液形成血栓。林柏霖醫師說，在控制心律方面可以用藥物或手術的方式來治療心律不整，手術方式包含傳統電氣燒灼術與新式冷凍導管消融術。

心房顫動手術治療是以心導管的方式進行。林柏霖醫師說明：在接受半身麻醉後，醫師會從患者鼠蹊部的股靜脈穿刺，放入導管延伸到右心房，再從右心房穿刺進入左心房。

由於導致心房顫動的異常電訊號大多來自肺靜脈，所以手術目的就是阻隔異常電訊號的傳遞。林柏霖醫師解釋，傳統電氣燒灼術是在肺靜脈周圍進行點狀燒灼，而冷凍消融術是使用冷凍球囊，利用低溫造成連續性電訊號的破壞。

「傳統電氣燒灼術是以導管前端，沿著肺靜脈開口周圍，一點一點地進行燒灼。利用熱能讓局部組織發生凝固性壞死，阻斷電訊號。」林柏霖醫師說，「新式冷凍導管消融術，是將一個球囊放入肺靜脈，接著注入液態的冷凍劑，讓球囊的溫度下降到攝氏零下 30 度至 50 度，造成一圈連續性的冷凍損傷阻隔異常電訊號。冷凍導管消融術的優勢在於手術時間約可縮短一半，大約兩個小時左右。因為手術時間短，安全性就會提高，也可以降低病人在手術過程中，因為時間過久而感到不適的發生。但還是提醒，若病患面臨術式的選擇，必須根據自身狀況和醫師討論，才能選擇最適合患者的方案！」

「針對心房顫動，一定要及早發現、及早治療。」林柏霖醫師說。

年紀較大、具有危險因子的民眾要注意自己的心律是否規則，定期檢查才能及早發現問題。一旦發現有心房顫動，特別是陣發性心房顫動或者已經造成症狀的心房顫動，都要積極介入治療，利用藥物或手術的方式，將心房顫動的問題根除。

貼心小提醒

心房顫動發作時可能沒有明顯症狀，但是心房顫動會造成 5 倍以上的中風機率，是個非常需要重視的疾病。林柏霖醫師叮嚀，建議大家平時要好好控制血壓、血脂、血糖，維持規律運動及正常作息，避免抽菸、喝酒。

如果出現心悸、頭暈、胸悶、無力、呼吸急促等症狀，便要盡快就醫。早期發現、早期治療心房顫動才能降低中風的機會！

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「醫師，我想檢查腎功能。」王先生說。

「有不舒服嗎？」醫師問。

「因為我們家族有幾位成員罹患腎臟病，蠻年輕就開始洗腎，聽說是多囊腎。」

「噢，的確要注意這個問題喔。」

多囊腎是最常見的腎臟遺傳疾病，可分為體顯性以及體隱性遺傳，其中以體顯性多囊性腎臟病（Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease，ADPKD）為多數，體顯性遺傳的意思是若父母其中之一為患者，則子女會有 50% 機會會發病。

體顯性遺傳最為熟知的基因缺陷以 PKD1 及 PKD2 為主，85% 的多囊腎患者以 PKD1 基因缺陷為主。多囊腎會使腎臟慢慢出現囊腫，囊腫裡面會充滿組織液，為了方便理解，解釋的時候會把囊腫稱為「水泡」。張立建醫師表示，隨著時間水泡會越來越多、越來越大，並佔據腎臟的體積，取代正常的腎臟組織，使腎功能漸漸變差。

多囊腎患者的腎臟會有非常多、大小不一的水泡。張立建醫師說明 PKD1 基因缺陷的患者大概在 40 至 50 歲的時候就會進入慢性腎臟病，平均約在 54 歲時開始洗腎。因此要提早發現、好好控制，才能延緩洗腎的時間。

張立建醫師解釋，多囊腎的症狀表現可以分成腎臟內的症狀和腎臟外的症狀，腎臟內的症狀主要是腎臟的水泡會越長越大，可能會壓迫腹內器官，故隨之而來會有腹痛、腹脹、腰痛及背痛等症狀。若對集尿系統造成壓迫，更可能出現泌尿道感染，除了泌尿道感染，水泡太大更可能有破裂、出血，而導致血尿之情形。

腎臟外的症狀是因為多囊腎患者的其他器官也可能產生水泡，例如肝臟出現很多水泡，而影響肝臟功能。張立建醫師說，還可能會有腦動脈瘤，或在心臟出現心律不整、瓣膜疾病。而高血壓是多囊腎病人造成腎臟惡化、發生心血管事件與死亡的重要因素。研究發現，高血壓常於腎功能衰退前便已發生，而腎功能衰退亦會加重高血壓的狀況。

「診斷出多囊腎時，部分患者會認為只是水泡而已，就沒放在心上。」張立建醫師說，「我們都會苦口婆心地勸說，讓他們理解多囊腎會造成許多問題，不只是進展到需要洗腎的地步，還有其他腎臟外的症狀，所以一定要定期追蹤、積極治療。」

及早治療幫助保存腎功能

過去沒有治療多囊腎的藥物，大概只能請患者多喝水，減少鹽分攝取量、注意蛋白質攝取量，並定期追蹤腎功能。張立建醫師表示，但是只靠飲食調整的成效有限，患者幾乎都會在 40、50 歲就開始洗腎。

目前已經有多囊腎口服藥物可用，能夠延緩腎臟功能的惡化。張立建醫師解釋，研究發現，腎臟會形成囊泡主要與細胞的水通道表現有關，使用抑制水通道的藥物，就會使腎臟囊泡不再持續變大，也會減少囊泡的生成，避免壓迫正常腎臟組織，所以有機會讓多囊腎病程延緩，盡量保存功能。

及早使用多囊腎口服治療藥物，能幫患者保存更多腎臟功能。研究顯示如果從慢性腎臟病第 2 期開始治療，約可將洗腎時間延緩 7 年；如果從慢性腎臟病第 3 期開始治療，約可將洗腎時間延緩 4 年。越早使用藥物則延長洗腎效果越好。

使用多囊腎口服治療藥物後，會減少水分從腎臟重新吸收的作用，尿量會增加，而必須補充水分，張立建醫師說，另外也要注意電解質、肝功能及尿酸，所以會請病人每個月回診追蹤。

由於多囊腎常伴隨多種併發症，患者會需要各專科的協助。張立建醫師表示，為了提供更完善的照顧，並提升大家對於多囊腎的認識，國軍台中總醫院腎臟內科有成立多囊腎特別門診，整合腎臟科、心臟科、泌尿科、腸胃科、神經外科、放射科等，並與國衛院黃道揚醫師醫師合作進行基因檢測，幫助患者及早確定診斷，並接受合適的治療，在門診亦可提供病患遺傳及優生諮詢。

多囊腎日常保養這樣做

張立建醫師呼籲，多囊腎患者容易出現高血壓的狀況，因此得注意血壓的控制，養成每天量血壓的習慣。在飲食習關上，建議減少鹽分的攝取並適當的增加水分攝取。慢性腎臟病患者的蛋白質攝取量要按照腎臟功能調整，當腎功能較差時，建議減少蛋白質攝取量至每天每公斤體重 0.6 至 0.8 公克，除了這些飲食建議外，也要盡量避免服用非類固醇類消炎止痛藥，以避免腎功能進一步的受傷害。

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