【紀錄】微型點子對撞機－夢春 | M.I.C. XVIII

• 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。

文／唐啟軒

十七世紀被稱為是天才的世紀，我們所熟知的牛頓、克普勒還有波以耳，都是活躍於這個年代。而這些天才們，也讓當代科學有了很大的躍進。但好像聽來聽去，怎麼好像天才都在歐洲，偉大的發現也都是洋人的東西。難道外國的月亮比較圓，歐洲人都是好棒棒，亞洲人都好笨笨嗎？

其實科學的發展，不只是有靠科學家日以繼夜的研究，其實也跟大環境有很大的關係。當時歐洲剛經歷數百年的大航海時期，除了各國在海上的競爭時，對於技術力的要求提高以外，引進美洲作物也解決了長期的糧食不足問題。而資本主義的興盛，更讓歐洲的經濟逆風高飛。在這個歐洲錢淹腳目的年代，物質充足後，人們就開始追求科學或藝術這類較高的目標。

而這個時候，我們的亞洲鄰居在做什麼呢？中國恰逢明朝末年，當時大概就是民不聊生，痛苦指數超高，只差沒有被說是鬼島。這時候就算是崇禎皇帝高呼一聲：「十萬青年十萬肝，GG 輪班救明代！」，大概也不會一群人搶破頭去熬夜做科學研究來救國家的經濟。不過那個年代的中國科學也不是完全沒有新發現，十七世紀初，有個人叫做宋應星。俗話說：「萬般皆下品，唯有讀書高」，從唐代以來，中國最夯的全民運動就是考科舉。而這位宋應星宋先生就是一位專業考生，第一次就通過了鄉試，當時通過率才不到百分之一，差不多就是考上建中的難度。只可惜好景不常，接下來應星他陸續考了十五年的會試都名落孫山。（古代科舉考試，分為：鄉試、會試、殿試三級考試）

話雖如此，十五年之間赴京趕考的過程中，視野也寬闊了許多，後來被聘為縣學教師。任教期間他有感而發：「這些權貴跟書呆子，吃米不知道米怎麼來，會穿絲綢衣服卻不會養蠶，五告逼哀！」。於是他開始動筆記錄下關於耕作、養殖、冶煉、製造……等等生產技術，並將這些記錄整理成書，書名由巧奪天工與開物成務各取二字，即為：《天工開物》。這本書被後世稱為技術的百科全書，許多技術至今仍被使用。雖由技術的角度出發，但像是人工養蠶或種植作物時，可以靠人為的技巧來控制遺傳變因，或是冶煉金屬時排除雜質與氣體等等；都使得當時的生物學、力學、熱學、化學等等科學有了較系統化的解釋。

此外，他也經常做一些科學的實驗。在《論氣》一書中曾記載，「人一息不食氣則不生，魚一息不食水則死」，意指人需要呼吸空氣，而魚離開水則死。並且經由實驗發現，魚即使活在水中，若水不與空氣接觸，則同樣無法存活。此外，陸地上的生物即使在空氣中，若是在不通風的密閉空間依然會死，其稱之為「氣死」，由此可知動物都需要空氣中的某一種特定的氣。當然我們現在都知道，這就是氧氣，而沒有氧氣就會窒息，但在當時那個年代，這樣的理論是十分新穎的，甚至領先了西方世界數十年。

這樣聽起來，東方的天才們其實不輸西方，那究竟是什麼造成如此大的差異呢？在東方，我們經常會問「我學／研究這個有什麼用？」這是一種十分務實的研究態度，但也正因這務實，使得這些技術無法舉一反三，終究沒辦法跨出單一領域的應用，成為一個很完整的學門。把時間拉到近代，證明電磁波存在的赫茲曾在課堂上被學生問到：「電磁波傳送有什麼用途？」，而赫茲聳了聳肩回答：「一點用也沒有。」但在百年後的現在，手機、WiFi、微波爐、eTag 通通都需要用到電磁波。其實有時候我們學習或研究，沒有辦法應用未必就是徒勞無功，只是我們還沒遇到需要用到這些知識的時候，亦或是它只是讓我們完整一個知識拼圖的其中一塊。即使最後真的用不上，但那些對於知識的渴望以及求知的過程，也會是最美的徒勞無功。

本文轉載自LIS線上教學平台。

悠遊卡公司為了一張波多野結衣的悠遊卡就弄得灰頭土臉，新聞爆出那幾天，臉書動態充滿波多野結衣文，想不認識這位日本 AV 女優還真難，想必當時一定有啥政商醜聞要掩蓋吧。

以下文字相當不清新，小正太、小蘿莉請在父母陪同下閱讀。

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食色性也，誰沒看過 A 片呢？每個正常的男人電腦都在所謂的 D 槽和 E 槽，乃至 F、G、H 槽（編出的字母就像 AV 女優的罩杯一樣愈來愈大），放著一堆名字和裡頭的檔案完全不符的資料夾。

雖然我中學在東南亞一個保守的小城鎮唸，還是經驗過對性很好奇，可惜民風實在太保守，連生物學上人類生殖器官，有同學問了很無害的問題，就被班導警告了。性教育也不是我們這些放牛班能上的，我們只好想像沒上過的性教育，是男女老師當場示範……

為了滿足好奇心，偷偷摸摸在學校偷看寫真集，同學一旦發現老爸私藏的三級片錄影帶（現在很多讀者應該從來不知 VHS 錄影帶的模樣，更甭提聽過統計顯示播放器快轉功能有七成是用在看色情片的），大家就舉家……哦不……呼朋引伴趁同學爸媽出差時偷偷潛入去看，出發前只差沒齋戒沐浴。那些年，我們一起看的三級片，和現在時下流行的日本 AV 相比，口味簡直就是太清淡了。

當我們這些東南亞來的僑生到了台灣這個開放的社會，簡直就是嘆為觀止，當年台大有些宿舍的交誼廳深夜還公開播A片。不否認，在性教育較保守的亞洲社會，我們對性的瞭解，在破處前，大多是從 A 片而來的，只是面對到現實，才發現怎麼往往和 A 片裡不太一樣。很多宅男也擔心，A 片看太多會導致不舉嗎？還好《臉紅心跳的好色醫學 2》用科學研究來說明，讓許多 D 槽滿滿的宅男鬆了口氣吧。

為了解答眾多朋友很想問又不知該不該問的問題，小志志與白映俞這對醫師夫婦，繼 2014 年推出《臉紅心跳的好色醫學：從 G 點、隆乳、自慰到同性戀，醫生這樣談性》，他們再接再厲為大家的性福加油，再度推出《臉紅心跳的好色醫學 2：潮吹、春藥與按摩棒，專業醫師的性愛解析》，小志志與白映俞翻遍醫療研究、古代典籍、民間傳說，專業地從醫學角度剖析那些令人好奇誤解、又不敢公然啟齒的羞羞疑問。讀了《臉紅心跳的好色醫學 2》才知道，我們還真甭羞羞啊，我們的老祖宗不分中外，都為了性愛所作過各種可歌可泣的努力（請參見〈你不可不知的好色醫學〉）。

如副標所示，《臉紅心跳的好色醫學 2》解釋了「潮吹」的液體是從哪裡來。AV 中女優示範的一種特技「潮吹」，我想大部分讀者都知道是啥，不需再多加解釋。除了 AV 女優會表演，台日軍方也演示過。2012 年 9 月 25 日，為了宣示主權與漁權的目的，台日雙方的官方艦艇在釣魚台（尖閣）海域進行互相噴水，史稱「潮吹之戰」！

讀了《臉紅心跳的好色醫學》和《臉紅心跳的好色醫學 2》 引用的古文，看來古人口味並不清淡啊，一堆對性事的描述讓人看了真是臉紅心跳。不過想想也很合理，我們畢竟全都是好色之徒的後代啊，在沒有成熟避孕法的千百年來，不熟衷享受性事者，基因早就被淘汰了。

在性笑話中，大小是常見的題材，男人之間最愛開的低級玩笑，就是嘲笑朋友的雞雞太小，女人要羞辱色狼，最有效的也是鎮定地嘲笑他們那麼小也敢出來丟人現眼吧？於是，古今中外男性為了追求更久更大更猛，發明了哪些奇招？《臉紅心跳的好色醫學 2》於是就探討了乳房和小雞雞的大小，還有包皮割不割、陰毛刮不刮等等。令人嘖嘖稱奇是，連迷信古人連乳房、陰莖、陰毛、腋毛等都不放過，居然還能用來作體相算命！

人類是個非常獨特的物種，人類沒有發情期，一年四季都能發情，也能發卡。女人排卵時，甭說旁人，連她們自己都不見得一定能料到，所以才會有不少男人栽在所謂的安全期上，含淚為尿布和奶粉錢做牛做馬後半輩子。很多動物的交配都是在光天化日下進行的，被人和同類看到也不羞羞。

可是人類嘛，甭說公然啪啪啪，有些人連提到都感到十分羞羞。據說就是因為人類男女是躲起來偷偷嘿咻，所以才不必像其他動物擔心被同伴破壞或天敵殘害而草草了事，所以才提得到所謂的「持久」，千古以來，還在這問題上作研究。可是真的是愈持久愈好嗎？且看《臉紅心跳的好色醫學 2》來解答。

《臉紅心跳的好色醫學 2》探討的大問題，還有通往女人心的路，是陰道嗎？腎虧損身，精盡人亡？吃鞭補鞭，睪丸可以回春？男人也有更年期？男人老了膀胱就無力？男人可以懷孕嗎？月經是靈丹妙藥？引刀自宮，武林至尊？《臉紅心跳的好色醫學 2》每篇末更有有趣的性學小知識。如公共廁所的馬桶會不會傳染性病？費洛蒙香水真的能增加性吸引力？陰蒂與尿道口的距離如何決定女性高潮的難易度？還有健身房內的某種器材，竟然會令使用者達到高潮？多做運動果然有益身心健康啊～

有趣的是，經過《臉紅心跳的好色醫學 2》 的調教，才曉得原來「按摩棒」的發明，原本是為了治療歇斯底里的醫療器材，真是失敬了！還想知道那些疑問的答案嗎？別再羞羞了，讓《臉紅心跳的好色醫學》和《臉紅心跳的好色醫學 2》令你邁向真正的「性」福生活吧！

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】，並同步刊登於The Sky of Gene。

延伸閱讀：

• 潮吹的液體是什麼？——《好色醫學2》