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更聰明的晶片–仿人類神經元的電腦晶片

小斑
・2013/11/20 ・4484字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

仿人類神經元的電腦晶片可以用更少的能量做更多事!

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夸比納‧鮑恩(Kwabena Boahen)在1982年時得到他第一台電腦,當時他只是個住在迦納首都阿克拉的青少年。他回想道:「那是一個很酷的裝置。」只要將儲存用的卡帶機和充作螢幕的電視連接在一起,就可以開始寫程式。

但是當鮑恩發現電腦的運作原理時,他有點失望:「當我知道電腦的中央處理器(CPU)必須不斷將數據在RAM和ALU之間來回處理時,我心想:『天啊!CPU竟然要這樣瘋狂運作到死,電腦才能用。』」當下他直覺地想說電腦的設計需要一點「非洲元素」:多一點分散和流動,不要那麼死板。鮑恩現在是加州史丹佛大學的生物工程師,跟一群研究員試圖透過對腦的反向工程,開發出這種「分散又流動」的計算模式。

人類的大腦其實是一個高效又節能的器官,用沒那麼完美、又慢又雜亂的的神經元,就可以處理一些對世界上最厲害的超級電腦而言都很棘手的問題:理解語言、抽象思考還有控制動作等。而這個比鞋盒還小的腦,不但不需要用到中央處理器,還只用了比家裡電燈泡還少的能量。

為了讓矽晶片達到同樣的效率,研究人員想要做出非數位式的晶片,盡量模擬生物神經元運作的方式。就在幾年前,鮑恩的團隊製作出一個能夠模擬一百萬個神經元運作的裝置——Neurogrid(神經網絡),相當於一隻蜜蜂腦中的神經元數量。

在經過將近四分之一世紀的研究,仿神經型態技術(neuromorphic technology)的應用趨於成熟。這種技術被看好能應用在任何體積小、追求低耗能的裝置上,像是智慧型手機、機器人,甚至人造眼、人造耳等。因此過去五年來,這種技術吸引了很多投資人,在美國和歐洲投入數億美金研發。

「仿神經型態裝置也提供神經科學家一個有力的研究工具。」瑞士蘇黎世大學神經資訊研究所(Institute of Neuroinformatics,INI)的賈科莫‧印地維里(Giacomo Indiveri)表示。在這些裝置上實地測試各種神經功能理論模型,可以幫助科學家瞭解大腦的運作方式。

不僅如此,仿神經型態技術也可以使晶片突破摩爾定律的物理極限。摩爾定律由英特爾創辦人戈登‧摩爾提出,指積體電路上可容納的電晶體數目,約每隔24個月便會增加一倍,而這個趨勢已經持續超過半世紀。照這電晶體不斷縮小的趨勢,總有一天這些電路會因太小太過緊密,讓電子逸出零件互相干擾,訊號不穩。有些工程師嘗試用軟體的方法解決,例如目前已用在讓網路跑得順暢的統計誤差校正。不過最終而言,鮑恩認為最佳的解決方法還是生物在幾百萬年前就發展出的模式:大腦。

「我的目標是一個全新的計算方法,一個即便零件太小而不夠可靠,仍然可以進行計算的方法。」鮑恩說。

矽胞

仿神經型態技術的起源可以追溯至世界知名的微晶片設計先驅-加州理工學院的卡佛‧米德(Carver Mead),他在1980年代發明了這個詞,並且著迷於大腦不同凡響的能源效率。米德說他深深地被這個問題吸引:「到底腦是怎麼用這麼少能量完成這麼多事呢?」

於是米德想到了一個方法:用亞閾值(sub-threshold)的矽晶片,也就是在低於可以讓電腦位元從0跳到1的電壓下運作的電路,模仿大腦低耗能的運作方式。在這樣的電壓下,仍然會有微弱但不穩定的電子流流過電晶體,自發性地消長,就像是離子透過離子通道進入神經元,所引起的電位消長。米德認為若加上微型電容電阻及其他零件來控制電流,這種微型電路就可以互相連結形成網絡,像腦中的生物神經元一樣,分散處理各種資訊,而不是把中央處理器操到死。[1][2]

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到了1990年代,米德和他的同事證明了製作仿真矽神經元是可行的。該裝置可以透過模仿神經元突觸的接點,接受外界輸入的電子訊號,這些訊號會像在神經元內一樣地在電子迴路中合成,若是這些訊號加總後高於閾值,這些矽神經元才會興奮產生神經衝動,沿著如同軸突的線路,跳躍傳遞神經衝動。雖然說這種訊號傳遞的全有全無律,可以說是數位式的(只有0和1),但仿真矽神經元主要的運轉基礎(把訊號加總),卻跟生物神經元一樣都是非數位的,不若傳統晶片的電壓和電流是一些特定不連續的數值。[3]

這樣的話,在足夠強的刺激使矽神經元興奮產生神經衝動之前,只需要用很少的能量來合成輸入訊號,就像低耗能的腦一樣。相反地,不管有沒有在計算任何數據,傳統的晶片都需要持續的能量供給電流,以維持中央協調所有零件的計時器。

不只如此,米德的團隊也打造出了分散式神經資訊系統迴路,可以說是矽晶片版本的視網膜。這個裝置以50×50的偵測器網偵測光線,並且為了像大腦一樣節省能量,仿真矽神經元不會一直發送訊號,只有在光線亮度顯著改變時才會興奮產生神經衝動,傳送到顯示器,就像是視網膜對於光線、陰影和動作的偵測模式。這樣能夠有效地區辨移動中的物體輪廓,同時最小化需要傳送和處理的數據量。[4]

寫程式的挑戰

鮑恩在1990年代加入米德的實驗室,他說:「那時候研究人員可以充分掌控仿視網膜的單一矽晶片,但現在我們想要做的是像大腦一樣的裝置,這代表我們需要更大規模的晶片間通訊技術。」這是一個很大的挑戰,因為現有的晶片間通訊演算法是建立在精確的數位訊號上,無法套用在這套使用非數位式雜亂訊號的仿神經型態系統上。於是在鮑恩與其他研究人員的努力下,針對這套仿神經型態系統,設計出新的演算法和電子迴路,才引發了大規模仿神經型態系統的風潮。

其中一個應用是,提供給神經科學家測試其大腦功能理論模型的大型仿真模擬器。舉例來說,在2006年的九月鮑恩發起了前述的Neurogrid神經網絡計畫,希望能夠成功模擬一百萬個神經元的活動。雖然相較於人腦中860億個神經元而言微不足道,但已經足夠建構出大腦皮質上,被認為構成大腦基本運算單位的幾個互動密切的細胞柱(column)。神經科學家可以設計程式在Neurogrid上,以大腦運作速度,跑幾乎任何大腦皮質功能模型,像是:工作記憶、決策和視覺注意力等等,比在傳統的數位晶片上模擬快了幾十萬倍。

「以實際效率和精確度來說,鮑恩的Neurogrid的確是領先其他大規模仿神經型態系統。」一起開發仿真矽神經元的蘇黎世大學神經資訊所(INI)共同創辦人羅尼‧道格拉斯(Rodney Douglas)如是說。

「不過沒有任何系統是完美的。」鮑恩自己迅速地指出。

Neurogird有一個很大的問題是其突觸設計,每個仿真矽神經元平均有5000個突觸,其簡化的設計使得突觸沒有辦法被個別調整,但是人腦中的神經元突觸是會隨著經驗被修飾的,無法隨著經驗改變了話,就無法記憶並學習。這個缺點使得科學家無法在Neurogrid上測試學習模型。若要每個突觸跟生物神經元一樣能夠隨經驗改變,同時間還能塞在晶片有限的空間裡,必須把電路縮小一千倍到奈米尺度。目前的技術還無法做到,不過最新開發的奈米尺度記憶體「memristors」日後也許可以解決這個問題。

另一個問題是組建Neurogrid時無可避免的變異性,導致每個Neurogrid晶片有些微不同。「雖然這個差異已經比大腦中的神經元小了。」鮑恩說,這代表Neurogrid的程式必須去處理仿真矽神經元各異的反應速度。

這個問題使得一些研究人員放棄了米德的亞閾值矽晶片。他們轉往用傳統的數位式晶片,模擬個別神經元的活動,代價就是需花費較多的能量,但也是為了以大腦實際運作的速度,模擬大腦大規模的活動來測試理論模型。

其中一個重要的計畫是由英國曼徹斯特大學的電腦工程師史蒂夫‧費博(Steve Furber)所領導的SpiNNaker Project(脈衝神經網絡結構)。SpiNNaker奠基於費博本人協助研發的ARM處理器,也就是智慧型手機裡的處理器,此計畫目前可以模擬五百萬個神經元的活動。

科學家的另外一個嘗試是維持之前的仿真矽神經元晶片(非數位式),但增加其運作速度,比實際的大腦跑得快很多。不若Neurogrid是精確模擬大腦的運作速度,德國海德堡大學的加速器物理學家卡爾‧海因次‧邁耶 (Karlheinz Meier) 所領導的European BrainScaleS Project,目前能夠以比大腦快一萬倍的速度,模擬約40萬個神經元的活動。雖然說這代表處理同樣的訊息量需耗掉比大腦多一萬倍的能量,但對腦科學研究很大的好處是:「我們因此可以在十秒內模擬完大腦一天內的神經活動。」

費博和邁耶兩人的計畫都在最近得到更多資金援助。在歐盟十月正式上路的十年十億歐元的人類大腦計畫(Human Brain Project)中,撥給仿神經型態技術約一億歐元的經費,讓費博可以將其計畫增加至模擬五億個神經元;邁耶則有望模擬多達四百萬個神經元。

這些仿神經型態晶片的成功,燃起了世界對其應用的興趣,想運用其超低耗能的特性在手機和機器人上。不過對電腦業界來說,並沒有那麼急切的需求,因為現階段要減少體積、提昇效率,只要簡化電路設計或是使用平行運算的多核心系統就行了。現行的傳統方法也就只能做到如此。因此,除了純學術的研究,美國國防高等研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency)也花了將近一億美金在自己的SyNAPSE(突觸)計畫上,開發小巧低耗能的仿神經型態技術。其中主要的承包商IBM,就拿這筆錢開發256位元的數位式仿神經元晶片,作為以後大規模系統的基本單位。

開發人工腦

鮑恩則是自己想辦法開發新應用,從Spaun開始。Spaun (Semantic Pointer Architecture Unified Network)是一個在超級電腦上面跑的腦功能仿真模型,可以接受視覺刺激、控制機械手臂甚至做決策。其程式語言,是在十年前由加拿大滑鐵盧大學的理論神經科學家克里斯‧伊里亞史密斯(Chris Eliasmith)所開發。使用者只需要告訴系統想要執行的功能,例如移動機械手臂,系統就會自動幫你設計好相對應的神經網絡來控制其動作。

伊里亞史密斯及其團隊在傳統電腦上測試Spaun,結果Spaun可以用250萬個模擬神經元、模擬視網膜和模擬手臂,完成抄寫手寫的數字、回想清單上的項目、推論出數列中下一個數字等認知測驗。[5]這絕對是模擬腦功能史上空前的進展,唯一的問題是其運作速度只有大腦的九千分之一,要模擬大腦一秒的運作就得花上兩個半小時。

因此鮑恩向伊里亞史密斯提議:用Spaun的軟體系統在鮑恩的仿真矽神經元硬體上,用大腦的真實速度模擬大腦功能。伊里亞史密斯為此感到十分興奮:「我們就像各自手上有花生醬和巧克力,加起來就超好吃的!」

他們合作拿到了美國海軍研究總署的計畫補助,計畫在三年內做出小型的樣品,五年內完成完整的系統。就像人腦有感覺神經輸入外界訊息,運動神經輸出動作指令,這個新系統會配備INI製造的仿神經型態視網膜和耳蝸,配上機械手臂表現動作。但相當於大腦的核心認知功能,卻是要從零開始。「這不是新版的Neurogrid計畫,而是全新的設計構造。」鮑恩說,為了更實用,會犧牲一點仿真度,做出「非常簡單、非常有效率的幾百萬個矽神經元」。畢竟這個系統是為了應用在實際需求而建立的,而不是為了研究大腦功能的理論模型。鮑恩期許在五年內能研發出,「完全獨立自主跟環境互動學習的機器人,同時其大腦只消耗跟手機一樣的電力。」

長遠來看,這個計畫的成果可以從機器人拓展到電腦,提供電腦小巧且低耗能的處理器。如果研究人員能夠掌握大腦超高效率運作的秘密,也許能夠避免如今不斷縮小的晶片即將到達極限的命運。「雖然我們不確定我們的方法有沒有用,但是沒試過怎麼會知道?」鮑恩表示。

註:

  • RAM=隨機存取記憶體(Random Access Memory)
  • ALU=算數邏輯單元(Arithmetic Logic Unit)

資料來源:Neuroelectronics: Smart connections. Nature [06 November 2013]
作者:M. Mitchell Waldrop

研究文獻:
[1] Mead, C. Analog VLSI and Neural Systems (Addison-Wesley, 1989).
[2] Mead, C. Proc. IEEE 78, 1629–1636 (1990).
[3] Mahowald, M. & Douglas, R. Nature 354, 515–518 (1991).
[4] Mahowald, M. A. & Mead, C. Sci. Am. 264, 76–82 (May 1991).
[5] Eliasmith, C. et al. Science 338, 1202–1205 (2012).

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PanSci實習編輯。 一顆在各個學科間漂流的腦袋~

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你認為閱讀只需要用眼嗎?先聽懂,才能讀懂!
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/08/27 ・3967字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心研究員 詹益智
人類大腦最初演化的目的是為了聆聽口說語言。圖/EXECUTIVEMIND

人類習得語言的順序:先學會聽才能學會讀

於 2016 年上映的電影「寒戰 II」中,由梁家輝飾演的李文彬有一句經典的台詞

「沒有學會走,先學跑,從來不是問題,但先問一問自己是不是天才。如果不是,就要一步步來[1]。」

這就好似使用口語溝通者語言發展的歷程,除非你是天選之人,有過人的天份,否則通常會依聽、說、讀、寫的順序習得語言[2],這樣的順序透露了一個重要的訊息,即閱讀的學習應奠基於聽理解力。為何語言習得的順序是先聽再讀呢?從人類大腦的演化的足跡便可略知一二。除非特別說明,以下皆以使用口語者為主要談論對象。

人類大腦最初演化的目的是為了習得口說語言(後簡稱口語)[3],而是習得口語的最佳媒介。在幾十萬年前口語就已出現[4],而書面語則約在五千年前才誕生[5],因此人類祖先在開始透過文字溝通之前,早已有了數萬年的口語交流經驗。我們可以發現,使用口語溝通的兒童一出生便自然地開始聆聽口語,接著才是學會閱讀,這並非是巧合,而可能是大腦演化之下的產物。

閱讀不只是認字這麼簡單,還需要良好的聽理解力

談到閱讀,許多人的第一印象就只是閱讀文字,但僅只如此嗎?閱讀文字其實只是閱讀過程中最基本、最初階的的技能。兒童在學習閱讀的過程中,無不從識字開始,透過記憶字形、拼讀注音、部首或聲旁線索認讀文字,但即便能將文本所有的文字唸出,也不代表能理解文本背後的涵意,癥結在於是否能將唸出的文本賦予應有的意義,才可達到閱讀理解的目的[6]

兒童在早期學讀的過程中,所接觸文本的難度大多低於其口語理解的水準,因此其閱讀理解主要受到識字能力的限制[7],到了晚期透過閱讀來學習的階段,兒童的識字能力會因多次的練習而趨近自動化,也就是一眼便能提取文字的語音;此時,他們所接觸文本在內容與結構上也會變得更加困難與複雜,單憑識字能力,並不足以讓他們理解全文,而聽理解力,才是決定其閱讀成效的因素之一 [7]。

早期「學習閱讀階段」的文本內容相對容易,閱讀理解主要受識字能力的影響,晚期「透過閱讀學習階段」的文本內容相對困難,閱讀理解主要受聽理解力的影響。圖/筆者製圖 & TheSchoolRun

一般而言,聆聽口語可幫助一個人建構閱讀時所需的語言基礎,例如詞彙與句法[8],換言之,聽理解力可能會影響語言知識的習得,進而左右閱讀的表現。研究指出聽理解力對於閱讀理解的影響會隨著兒童年紀漸長而有所增加[9]。最終,聽理解力甚至可以完全預測其閱讀理解[10]

語言知識是閱讀發展的關鍵

你可能會質疑聾人朋友沒有聽力也可閱讀,原因在於他們仍可透過手語或讀唇的方式獲取語言知識。沒錯,語言知識便是其中的關鍵!有許多具有殘存聽力的兒童,因聽經驗較為缺乏而需要花更多時間奠定語言根基,相對於典型聽力的兒童,也較易有閱讀發展遲緩的現象[11]。有些研究甚至發現,聽損兒童的閱讀能力到了國小四年級時就停滯不前[12],顯見聽力對使用口語為主要溝通者閱讀發展的重要性。

聽理解力可用以區分不同類型的閱讀障礙

在臨床上,閱讀理解困難可分為三大類:失讀症(dyslexia),即有識字困難但保有完好的聽理解力;理解困難(poor comprehender),即有足夠的識字能力,但聽理解力有缺陷;廣泛性閱讀障礙(garden variety poor reader),即識字與聽理解力皆低落[7]。由此可見,聽理解力在閱讀理解上扮演著決定性的角色。

聆聽和閱讀都會在內心產生感官意象

聽理解力不單只是透過聽去理解口語中的詞彙與句法,良好的聽理解力還牽涉到是否能將這些語言及背景知識整合成一個心理模型(Mental Model)[13],也就是能在內心中,將人、事、時、地、物具像化,以幫助理解。舉例來說,你將和朋友去參加一場美食盛宴,你可能會在腦海中勾勒出當天會場的樣貌、會出席的要角、即將發生的事、食物的滋味、美妙的音樂等。

在聆聽言談與閱讀文本時,皆會觸發這種感官意象的形成[7]。因此聽理解力與閱讀理解其實同出一轍。換句話說,聽理解力和閱讀理解其實共用了相同的心理處理機制,只不過聽理解力並未涉及文字解碼的歷程。

閱讀時,內心也會聽到「聲音」

聽理解力對閱讀的影響也可從「默讀」(subvocalization or silent reading)的觀點來談。所謂「默讀」指的是在閱讀時,心中將文字唸出聲音,這是典型聽力者閱讀時的自然過程,它有助於大腦理解與記憶所讀過的內容,從而能夠減少認知負荷,並將剩餘的認知資源用在高層次的語言理解[14]

既是唸出「聲音」,自然就會牽涉到聽理解力,若是聽經驗不足,即便將文字唸出,對讀者而言只不過是一連串無意義的語音符號,因而也就無法達到閱讀理解的目的。

聆聽與閱讀同篇文章時,相同的大腦區塊都被激活了

這些透過顏色編碼的 3D 大腦地圖顯示了大腦在聽聆聽(頂部)和閱讀(底部)同一篇故事時,語意處理的過程基本相同。圖/Fatma Deniz University of California, Berkeley

一群加州大學柏克萊分校的腦神經學家 Deniz 等人[15],在《神經科學雜誌》(Journal of Neuroscience)上,發表了一篇有關大腦處理聽力與閱讀的論文,他們利用功能性磁振造影(Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)技術,記錄一群成人受試者在閱讀和聆聽同一篇故事時,大腦活動的狀況,並根據結果繪製3D大腦互動式地圖(interactive map ,這個網頁可以讓你體驗 3D 大腦互動式地圖)。

這個地圖以不同的顏色標示大腦活動的區塊。研究人員不但發現聆聽和閱讀同一時詞彙時,相同的大腦區塊會被激活外,更發現不同類別的詞彙所激活的大腦區塊也有所不同。例如,與數字相關的單詞會激活一個區塊,而與時間​​相關的單詞則會激活另一個區塊。

也就是說,無論透過聆聽或是閱讀相同的文本,這兩種處理語意訊息的方式都是類似的,這也證實了聆聽與閱讀間緊密不可分割的關係。研究人員也提到了未來對於閱讀理解有障礙的兒童或許可以透過聆聽有聲書的方式來改善他們的閱讀理解力。

如何透過「聽」來提升閱讀理解?

TEDxTaipei 是個可用來訓練聽理解力的平台。圖/TEDxTaipei

既然聽與閱讀間的關係來自於語言理解,訓練聽力來提升語言理解進而促進閱讀能力應是可行的方法,那麼應該要怎麼透過聽來提升閱讀理解力呢?平時我們可以利用手機或電腦的 TEDxTaipei 平台聆聽不同主題的演說,並利用四種實證策略來聆聽[16]

1.預測(prediction)

在聆聽演講時,可試著預測講者後續要說的內容,因為對內容的理解有很大程度取決於我們所聽到的是否與預期的一樣,如與期待不符,則可能會產生誤解。相反地,如果我們能準確地預測接下來的內容,聆聽便會變得更有效率。

2.釐清(clarification)

除了預測外,釐清自己是否能理解所聽到的內容,也是聆聽中重要的一環。有時我們可能會發現講者使用了一些艱澀難懂的專有名詞或概念,此時不妨按下暫停鍵,稍微 Google 一下,找出相關的解釋,如此不但可豐富自己的背景知識,更有助內容的理解。若我們對不懂之處置之不理,就無法順利地理解演說的內容。

3.提問(questioning)

有目的的去聽一場演講比漫無目的聆更可使聽者對演說的內容產生共鳴,而自我提問便可以達到這樣的目的。自我提問的策略可在演講的任何時刻皆可使用,例如在演講前使用,便能將背景知識帶入自己的意識中,而有助內容的理解。在演講中使用,可以促使自己更專注的聆聽,因為在某種程度上,也是與內容作交流。若在演講後使用,則可訓練自己的批判性思維。

4.摘要(summary)

聽完一場演講後,試著用自己的話重述一遍講者的內容,但需將焦點放在講者主要闡述的想法是甚麼?有哪些細節可以支持這些想法?哪些訊息是不相關或非必要的?對演講的內容做摘要不但可幫助自己更積極且專注地聆聽,也可訓練自己整合訊息的能力,並對內容也會留下更深刻的印象。

閱讀若想要達到「讀你千遍也不厭倦」的境界,或許可從訓練自己的聽理解力開始,當建立起閱讀所需的語言與背景知識的基礎後,就不會產生「讀你一遍都感厭倦」的無奈感囉!

參考資料

  1. 寒戰II
  2. Pawarbrother21. (2022, February 11). Language skills- Listening, Speaking, Reading, Writing. 
  3. Victor. (2021, March 15). Three reasons listening is the most important skill to tackle first. 
  4. Scerri, E. M., Thomas, M. G., Manica, A., Gunz, P., Stock, J. T., Stringer, C., … & Chikhi, L. (2018). Did our species evolve in subdivided populations across Africa, and why does it matter?. Trends in Ecology & Evolution33(8), 582-594.
  5. Gelb, I. J. (n.d.). Sumerian language
  6. Hoover, W. A., & Gough, P. B. (1990). The simple view of reading. Reading and Writing2(2), 127-160.
  7. Hogan, T. P., Adlof, S. M., & Alonzo, C. N. (2014). On the importance of listening comprehension. International Journal of Speech-Language Pathology16(3), 199-207.
  8. Hogan, T. P., Bridges, M. S., Justice, L., M., & Cain, K. (2011). Increasing higher level language skills to improve reading comprehension. Focus on Exceptional Children, 44(3), 1-19.
  9. Catts, H. W., Hogan, T. P., & Adlof, S. M. (2005). Developmental changes in reading and reading disabilities. In The connections between language and reading disabilities (pp. 38-51). Psychology Press.
  10. Adlof, S. M., Catts, H. W., & Little, T. D. (2006). Should the simple view of reading include a fluency component?. Reading and Writing19(9), 933-958.
  11. Harris, M., Terlektsi, E., & Kyle, F. E. (2017). Literacy outcomes for deaf and hard of hearing primary school children: A cohort comparison study. Journal of Speech, Language, and Hearing Research, 60, 701–711
  12. Traxler, C. B. (2000). The Stanford Achievement Test, 9th edition: National norming and performance standards for deaf and hard-of-hearing students. Journal of Deaf Studies and Deaf Education, 5, 337–348.
  13. Kintsch, W., & Kintsch, E. (2005). Comprehension. In S. G. Paris & S. A. Stahl (Eds.), Current issues in reading comprehension and assessment (pp. 71-92). Mahwah, NJ: Erlbaum.
  14. Erickson, K. (2003). Reading comprehension in AAC. The ASHA Leader, 8(12), 6-9.
  15. Deniz, F., Nunez-Elizalde, A. O., Huth, A. G., & Gallant, J. L. (2019). The representation of semantic information across human cerebral cortex during listening versus reading is invariant to stimulus modality. Journal of Neuroscience39(39), 7722-7736.
  16. Aarnoutse, C., Brand-Gruwel, S., & Oduber, R. (1997). Improving reading comprehension strategies through listening. Educational Studies23(2), 209-227.
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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「選擇困難症」看這裡!學會召開大腦會議,讓你的腦內人格不打架!──《全腦人生》
天下文化_96
・2022/08/23 ・1937字 ・閱讀時間約 4 分鐘

編按:《全腦人生》作者吉兒.泰勒(Jill Bolte Taylor)擁有「腦科學家」和「嚴重中風的康復者」雙重身分,她根據心理學和神經解剖學,用擬人化的方式,將大腦區分為四個人格區域:

 一號人格(左腦的規律思考區)
 二號人格(左腦的負向情緒區)
 三號人格(右腦的樂天情懷區)
 四號人格(右腦的開闊思維區)

前文提過,四大人格是腦半球細胞、迴路、思考及情緒組織功能模組的天然副產物,但這在你的日常生活有何意義?請想想,有哪一天你的內在沒感到衝突?兩個腦半球重視的事物迥然有異,是故,心想著東,腦袋卻說著西,基本上就是大腦不同部位起了爭執。

Five personified emotions (from left to right: Fear, Anger, Joy, Sadness, and Disgust) standing together, surrounded by multicolored polka dots.
我們的大腦,真的可以像腦筋急轉彎(Inside Out)這部動畫一樣,分成不同的人格嗎?圖/wikipedia

例如,左腦掌管思考的一號人格,依其價值觀,可能這樣想:「新工作薪水較高,明顯是升官,但要去新城市,我該接下嗎?」右腦掌管思考的四號人格,卻可能這樣想:「目前的工作可以讓孩子待在熟悉的學校環境,和親友維繫感情,我該繼續做這份工作嗎?」

同理,左腦掌管情緒的二號人格可能這樣想:「這人傷得我好深,我只想討回公道,也想狠狠傷害他。」右腦掌管情緒的三號人格則是:「我就從遠處表達我的關愛,盡可能遠離對方,並創造我需要的空間和時間,這樣心靈的傷才可能癒合,帶著尊嚴,往前邁進。」

若遇到上述情境,要是我們能了解是哪個人格出現在對話中,驅動因子是什麼,就能讓我們有意識的做出選擇:要成為什麼樣的人,以及,要怎麼才能成為那樣的人。

了解彼此,共同合作,才能產生最大的效益

你愈來愈會辨識自己的四大人格,學會欣賞、重視各人格的技能組合,就得以更有意識的做出選擇。

不過,只是了解這些人格還不夠,最終目標是讓這些人格彼此熟悉,足以打造健康的互動關係;四大人格將集為一體,善用你所有天生才華,齊心並進。

不管是賽場上的球隊,還是職場上的同事,任何情況下,團隊成員都會集合開會,評估情勢,制定策略。你的大腦團隊則由四大人格組成,隨時都可開會,分析你人生的情勢,共同決定下一個情境中想當什麼人、要怎麼達到目的。

團隊合作很重要,要是你的大腦不合作,想想看會發生甚麼事?圖/elements.envato

本書第二部除了仔細審視四大人格,還將說明大腦會議(Brain Huddle)的五大步驟,目的是要:有意識的暫停思緒,召喚四大人格進入我們的意識,接著以團隊之力,思量最好的下一步。

我鼓勵各位平常沒事就多練習召開大腦會議,以便大腦快捷有效的制定重大決策。如果你願意在日常承平時期訓練四大人格攜手合作,兵荒馬亂之時,就能收穫極大助益。

召開大腦會議的 SOP

在此,我們先快速預覽大腦會議的五大步驟:

  • 呼吸(Breathe),深吸一口氣,再慢慢吐氣。你可按下暫停鍵,中斷情緒反應,心思全放在當下時刻,著重於你自身。
  • 體認(Recognize)當下時刻是哪個人格的迴路在運轉。
  • 欣賞(Appreciate)自己當下展現出的人格,感激這四大人格隨時伴我左右。
  • 探問(Inquire)內在,邀請四大人格來開會,如此才能集合眾力,有意識的規劃下一步。
  • 釐清(Navigate)新的現狀,享受四大人格發揮最佳實力的成果。

此時你應會發現,大腦會議五大步驟的英文首字母,組合起來即為大腦的英文 BRAIN,對此,我當然洋洋得意,覺得取了個好名。

更重要的是,目標相當明確:你能因此快速記起這些步驟,並立即應用,尤其壓力升高而二號人格壓力迴路超速運作之時,焦慮或恐懼的化學物質湧入血流,淹沒迴路,你根本無法思考。

但是 BRAIN 這縮寫可以如霓虹燈般閃耀,指引你召集大腦團隊合作,找到返回右腦平靜之路。

召開大腦會議,能助我們有意識且刻意的召來四大人格,加入對話,這過程強而有力,大大賦予力量。我們有能力中斷情緒反應的自動迴路,有意識的選擇當下要由哪個人格主導。

知道自己的四大人格,且有能力分辨他人的四大人格,有助我們更自然而然的以全腦互動。我們真的有能力打造健康關係、修補彼此的關係。

——本文摘自《全腦人生:讓大腦的四大人格合作無間,當個最棒的自己》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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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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洗澡時突然浮現:八叛徒的諾貝爾獎級專利,半導體的「平面製程」——《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》
親子天下_96
・2022/07/17 ・5127字 ・閱讀時間約 10 分鐘

一場淋浴的時間,革命性想法突然浮現

1959 年 1 月初,赫爾尼早上起床淋浴時,一個在他腦中深藏許久的念頭突然浮現出來,他似乎看到了一線曙光,可以解決令大家束手無策的困境!

赫爾尼早上起床淋浴時,一個在他腦中深藏許久的念頭突然浮現出來。 圖/envato

根據貝爾實驗室的技術手冊,當矽晶圓完成摻雜後,必須用溶劑把表面剩餘的氧化層全部清除乾淨。因為擴散法應該也會把雜質摻入氧化層裡,若沒有全部移除,被汙染的氧化層恐怕會影響電晶體的導電性。不過如此就會讓 p-n 接面裸露在外,所以才必須用金屬外殼加以密封。

赫爾尼當時就懷疑氧化層是否真的會被汙染,就算會,真的會影響電晶體嗎?

他覺得氧化層有隔絕保護作用,保留下來或許利大於弊,但貝爾實驗室與同事都說照著技術手冊做就對了。後來要忙著趕 IBM 的訂單,他就把這想法擱在一旁,未再深入研究,現在他才突然想到如果有氧化層擋著,掉落的金屬碎屑就接觸不到 p-n 接面,也就不會影響電晶體了。

赫爾尼進辦公室後,連忙翻出當初所寫的筆記,重新整理謄寫。而在塗塗寫寫的過程中,腦中又冒出一個革命性的想法。

高臺式電晶體是先用擴散法在集極表面摻雜成基極,再用光刻技術在基極中央蝕刻出窗口,摻雜成射極。但何不一開始就用光刻技術做出基極?這樣底層的集極就不會全部被基極蓋住,集極、基極與射極三者都在同一平面,它們之間的 p-n 接面用同一層二氧化矽保護,只露出接腳的接觸點。由於電極彼此更靠近,效能會更好,而在製造上也更加簡單。

諾貝爾獎級的專利:平面製程

赫爾尼興奮的向諾宜斯與摩爾等人提出這個「平面製程(Planar process)」的構想,大家都半信半疑,違背技術手冊的指示,保留氧化層真的不會有問題嗎?不過目前也沒別的辦法,況且真的成功的話,不僅能解決眼下的問題,還能大幅提升電晶體效能與生產效率,讓快捷半導體的競爭力更上一層樓。他們決定放手一搏,同時趕緊找專利律師申請專利。

赫爾尼的平面製程概念(左圖)與高臺式電晶體(右圖)比較。平面製程的電晶體讓基極、射極和集極都在同一個平面上,並且都受到二氧化矽保護。圖/親子天下

「你們希望這項專利涵蓋哪些範圍?」專利律師開頭就先問這個問題。

諾宜斯等人頓時都愣住了,不就電晶體嗎?律師才進一步解釋:「這平面製程不是一種製造方法嗎?除了電晶體,也可以用來製造其他半導體元件吧?」

摩爾見諾宜斯還在出神中,只好出聲回答:「當然可以。要的話,二極體、電阻、電容這些也都可以用平面製程,但意義不大,這些也不是我們的目標市場。」

「為什麼?」

「因為這些元件構造簡單,沒必要用平面製程,純粹看生產規模,規模越大,成本越低。這是德州儀器、雷神這些大公司的優勢,我們只能攻電晶體,以技術取勝。」

律師點點頭:「那就只針對電晶體申請專利保護囉?」

「等一下!」神遊中的諾宜斯突然插進來,卻又思索了一下才說:「還是把其他半導體元件都納進來好了。別誤會,我沒有要做這些東西,只是剛剛想到——如果用平面製程把它們都放在同一片晶圓上呢?

大家不解的望著諾宜斯,只見他站起來走向黑板,一邊問大家:「你們想想,IBM 拿到我們的電晶體之後,再來呢?」

接著諾宜斯在黑板畫起一個一個小方塊,說:「他們得把電晶體、二極體、電阻、電容這些元件一個個銲接到電路板上。我估計全部至少有幾百顆,甚至上千顆吧,每顆都要接上金屬電路,還得有銲接的空間,結果元件本身所占的空間其實不到一半。」黑板上的圖就像幅地圖,上面坐落著一棟棟平房,空地與道路占了大片土地。

電路板上的各種電子元件就像地圖上的房子,有大半的面積被空地與道路佔據,房子(電子元件)只占一小部分。 圖/Pixabay

「不只如此。」諾宜斯再用紅色粉筆在小方塊中間畫個小圈圈,說:「每個元件真正有用的只有這裡,其餘只是外殼包裝。你們看,如果只有這些小圈圈,讓它們彼此緊鄰在一起,空間就只有原來電路板的 5% 不到吧。」

大家似乎開始明白諾宜斯要說什麼,但貝仍疑惑的問道:「我可能沒你們懂,但怎麼可能沒有外殼,還緊鄰在一起?它們得有保護,彼此也得分開才不會漏電,不是嗎?」

赫爾尼微笑著替諾宜斯回答:「二氧化矽可以提供保護,也能用來區隔元件。我只想到多做一次光刻技術,但既然能做兩次,當然三次、四次、……要幾次都可以,就能把各種元件都做在一起。」

摩爾接著說:「而且蝕刻出的缺口不僅用於摻雜,也可以蝕刻出複雜的溝槽作為電路。既然每個元件的接觸點都在同一平面,便可以像印刷電路板那樣,直接把銅線印在溝槽上,原來在電路板上的電路就都整合在一個晶片裡了。諾宜斯,這真是絕妙的點子!」

「這得感謝赫爾尼先想出平面製程。不過這只是個概念,具體上要怎麼做,摩爾,我們倆再一起研究。」

貝興奮的說:「這只要做出來,再貴我都賣得出去!我告訴你們,空軍的人一直在問我能不能做得更小呢。因為除了轟炸機,還有導彈、火箭也都要裝上電腦,它們的空間更小,電腦越小越好,到時候這些訂單非我們莫屬。」

被捷足先登的專利申請

的確如貝所說,美國政府正在傾全力推動太空計劃,並加強國防科技。因為蘇聯在 1957 年 10 月 4 日,毫無預警的發射第一顆人造衛星史普尼克一號(Sputnik 1),嚇了美國一大跳,發現原來蘇聯的太空科技竟然遙遙領先。萬一蘇聯將太空科技用於戰爭,勢必會取得空中優勢,甚至危及美國本土。

蘇聯第一顆人造衛星史普尼克一號(Sputnik 1)1 : 1等比模型。 圖/wikimedia

因此,美國政府除了要軍方強化飛機、飛彈與各項國防武器的性能,同時在 1958 年 10 月成立「國家航空暨太空總署(NASA)」,整合資源與各界人才,以求在這場太空競賽超越蘇聯。軍方與 NASA 都有龐大預算,為了盡速達成任務,都願意採用最新技術,花起錢來也毫不手軟,對快捷半導體而言正是大好時機。

專利律師先針對平面製程申請專利,積體電路則還要等諾宜斯寫出具體方法,才能提出專利申請。不料,諾宜斯和摩爾尚在研究,3 月時竟然被捷足先登,德州儀器召開記者會,發表史上第一顆積體電路!

原來德州儀器的工程師基爾比(Jack Kilby)去年 6 月就提出積體電路的構想,然後在 9 月以手工做出一個晶片雛形,只有電晶體、電阻和電容三個元件,電路另外用金線銲接而成,雖然粗糙簡單,但確實能正常運作。如果德州儀器祭出專利保護,快捷半導體就無法開發積體電路這極具潛力的產品,嚴重影響公司的未來。

辭職風暴

屋漏偏逢連夜雨,在公司前途未卜之際,總經理鮑德溫竟然要辭職。諾宜斯等人錯愕又憤怒,要他當面說清楚。

貝先開口責問他:「鮑德溫,現在公司遇到問題,你身為主帥不面對處理,反而要先落跑,未免太現實了吧?」

「我如果真的現實,去年 IBM 訂單問題搞不定時老早就走了。人總是有更高的目標要追求,就這麼簡單。」

羅伯特忍不住嗆他:「更高?你已經是總經理,權力、薪水與分紅都比我們幾個創辦人高,還有什麼不滿意?」

鮑德溫平靜的回答:「我很感謝你們的禮遇,但總經理也只是受聘的經理人,再怎樣也和你們幾位大股東沒辦法比。」

諾宜斯真摯的說:「你如果嫌認股權太少,可以提出來啊。」

鮑德溫嘆了一口氣說:「那就說開了吧。有家國防承包商願意出資,讓我成立公司製造電晶體,一些工程師也會跟我走。」

公司前途未卜之際,總經理鮑德溫選擇辭職離開。(示意圖) 圖/envato

「什麼,你也太沒道義了!」「了不起,主帥帶兵投靠敵營。」「你這叛徒!」「你膽敢偷走技術,就等著被告!」憤怒的斥責馬上此起彼落。

「你們有什麼資格說我?你們幾個不也是背叛蕭克利自立門戶?」鮑德溫馬上惱羞成怒,展開反擊:「我不過帶走十幾個人,你們對原公司造成的傷害才大吧。論道義,你們更沒道義!我本想大家好聚好散的,現在也沒什麼好說了。祝你們好運,再見。」說完即頭也不回的走出門外。

會議室裡一片沉寂,大家不約而同想到當年從蕭克利半導體實驗室集體請辭的情景:平時易怒暴躁的蕭克利竟然一句話都沒說,鐵青著臉直接走出辦公室。反倒是貝克曼跑來找他們曉以大義,發現無法挽回後,隨即變臉威脅要控告他們侵權洩密。沒想到如今換他們嚐到這滋味了。

諾宜斯先打破沉默:「我們來討論總經理人選吧。你們有沒有想到誰還不錯的?」

克雷納舉起手說:「我覺得不要再從外面找了,找來難保又跟鮑德溫一樣。就諾宜斯你來當吧,這一年多來,你應該也學到不少經營面的大小事了。」

大家紛紛附議贊同,這次諾宜斯也不再謙讓,決定扛下這重責大任,研發副總一職便交給摩爾。

摩爾趁此時報告積體電路的應對策略:「我們和專利律師討論過了,德州儀器雖然先申請積體電路的專利,但他們的電路仍得用銲接的,而諾宜斯結合了平面製程與印刷電路,這兩項技術都不在他們的設計裡,應該可以認定為新發明。所以我們決定還是申請專利,無論如何,總比棄械投降來得好。」

基爾比與諾宜斯兩人的積體電路設計對比。左圖是基爾比的設計,可以明顯看出電子元件上都有額外拉出的電線。而右圖是諾宜斯的設計就簡潔許多,電線和電子元件都是平整的放置在一個平面上。圖/親子天下

「沒錯,不用管別人,我們就照原先計劃往前走。等送出專利申請、做出樣品後,我們也要舉辦盛大的積體電路發表會,讓所有人知道誰的技術管用。」諾宜斯馬上展現了總經理的氣勢。

積體電路的專利申請於 1959 年 7 月送出,未待審核結果出爐,本身是發明家的費爾柴爾德就以實際行動展現對他們的信心與支持,提前於 10 月執行選擇權,依當初合約所載,用三百萬買下全部股權。

八叛徒當初每人拿出 500 元,如今兩年不到就換回 25 萬元,當然是美夢成真,也讓外界人人稱羨。不過,卻有兩個人看在眼裡頗不是滋味,那就是蕭克利與貝克曼。

將希望壓在四層二極體的蕭克利

諾宜斯等人出走時,蕭克利仍不認為自己有錯,他得到的教訓反而是認為國內這些心高氣傲的年輕人不聽話又沒忠誠度,不如從歐洲招募三、四十歲的博士,他們更加成熟穩定,好用多了。何況八叛徒本來不懂電晶體,都是他一手教出來的,現在換另一批人,他當然也可以在短時間內就讓他們上手。

因此,無論面對貝克曼或是外界的質疑,他都信心滿滿的堅稱集體離職事件不會有任何影響,實驗室仍將正常運作。

然而,就算貝克曼也這麼認為,他對蕭克利半導體實驗室已有不同想法了。1958 年,貝克曼將它從集團的附屬機構獨立出來為「蕭克利電晶體公司」,顯然已不想再燒錢打造另一個貝爾實驗室,而是要它像一般公司那樣盈虧自負。

蕭克利終於在 1959 年成功開發出 p-n-p-n 四層二極體,卻因為品質不穩定,未能如他原先預想的用於AT&T 的電話交換機;而軍方那邊也沒能賣出多少,以致公司繼續虧損。

貝克曼決定不玩了,剛好克里夫蘭一家傳統企業也想跨足半導體,而蕭克利的名聲仍有相當吸引力,便在 1960 年將公司賣給他們。

蕭克利倒不在意換新東家,反正他仍然在原地繼續做原來的事,只要解決四層二極體的品質問題,還是有機會從 AT&T 拿到源源不絕的訂單,到時所有人——尤其是八叛徒,就會知道他才是最後的贏家。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》,2022 年 7 月,親子天下,未經同意請勿轉載。

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