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打通媒體,遠離科學危機:專訪英國科學媒體中心

果殼網_96
・2014/06/18 ・6097字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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/ FujiaC

基改問題產生的爭議、PX項目是否應該啟動、核電廠該不該建……今天,傳播正確的科學知識已經不僅是寫幾篇科普文章、做幾個科普講座,針對科學問題本身進行解釋這麼簡單。公眾獲取訊息的管道正變得越來越多元,如何讓科學的聲音不被繁亂複雜的噪音、甚至謠言所淹沒,是科學傳播中面臨的最大問題。科學傳播工作需要政府、科學家、媒體的配合,而這其中的組織和銜接的中間機構又起到了至關重要的作用。作為其中的典範,英國科學媒體中心(Science media centre)在科學傳播方面受到了廣泛的肯定。果殼網特邀駐倫敦記者前往科學媒體中心,對他們進行了專訪。看看一個專業的科學媒體中心,在科學傳播過程中應該扮演怎樣的角色。

牛刀初試,打破科學界失聲定律

「我曾經過著非常簡單的生活,每天在威爾斯海邊看著青草生長,試圖理解它們生長的秘密。但1999年之後,我的生活完全改變了。」英國阿伯里斯特維斯大學( Aberystwyth University)的波洛克教授(Prof. Chris Pollock)在回憶中如此寫道。

1999年是波洛克教授生活產生巨大改變的轉捩點:他正式加入了一項飽受爭議的工作:為基因改造作物農場測試(GM crop farm-scale evaluation)做獨立審查。該研究受到英國政府的資助,以測試基改莊稼對環境與生物多樣性的影響。這是當時世界上最大範圍的基改作物農場測試,英國自然與環境研究委員會(NERC)、洛桑研究所(Rothamsted Research)等知名研究機構的科學家負責具體執行。為了保證客觀公正,另一些科學家組建了獨立審查小組,以跟進並發布研究結果。波洛克教授正是審查小組的主席。 2002年,他手握著該項目為期三年的研究結果:基因改造對生物多樣性的輕微影響並非來自基改本身,而來自農民對基改作物施加的農藥不同。由於基改甜菜和油菜植入了驅蚜蟲的基因片段,農民減少了農藥的使用,田間的生態多樣性因此發生變化,但並不危害環境。

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然而,當時適逢英國民眾反基改情緒的高峰。 1998年的普茲泰事件是個關鍵轉折。普茲泰(Arpad Pusztai)博士來自英國洛維特研究所(The Rowett Institute of Nutrition and Health)。他在電視演講中稱:自己的實驗顯示,食用基改馬鈴薯的大鼠體重下降、免疫系統遭破壞。雖普茲泰被其研究所批評,最終被辭退,但他還是將論文成功發表在著名醫學雜誌《柳葉刀》上,一時輿論嘩然。普茲泰的名字佔據新聞頭條數月之久,還被塑造為受學術機構迫害的孤膽英雄。雖然英國皇家科學院迅速組織科學家對該研究進行進一步分析,認為其中存在許多嚴重錯誤,但直到數月後才發表公開譴責(詳細內容,請見果殼文章:不能相信的實驗(1):普茲泰和他的轉基因土豆)。而此時,反基因改造的輿論趨勢已經形成,難於扭轉。許多環保組織鼓吹「基因改造危害人體」、「大財團的陰謀」、「禍國殃民謀財害命」。英國媒體也充斥著妖魔化基改的報導。當時的英國首相布萊恩因為支持基改,被小報描繪成試圖毀滅世界的科學怪人。與這一切形成鮮明對比的,是科學界的集體失聲。

2000年,英國上議院發表報告分析了這場輿論衝突,發現科學界人士在其中嚴重缺席:1999211—12日是基因改造爭論報導最集中的兩天。這兩天內,全英11份全國性報紙刊載的所有基改報導都不是由科學記者編寫的,其中45%報導來自政治記者;而在基改特稿中,也只有17%來自科學記者,所有與之相關的評論或者專欄文章,無一出自科學作者之手。牛津大學動物學教授、英國皇家科學院院長、上議院科學顧問羅伯特·梅憤怒地稱之為「不可思議、帶傾向性的事實陳列」。

如何把自己的結論告訴公眾,波洛克教授壓力重重。在那樣的輿論環境下,科學家們三年的工作結果可以輕易被媒體與民眾誤讀。波洛克不得不向剛剛成立的英國科學媒體中心(Science media centre)求助。

科學媒體中心成立於2002年。這是一個獨立的非營利機構,依靠慈善基金、政府、企業與公眾的捐款來運營。為了保證其公正獨立性,每一個捐贈方的捐贈金額不得超過機構募資總額的5%。中心的董事會由皇家科學院科學事務主席、皇家藥學學會主席、皇家工程學會首席執行官等組成,顧問團則包括《自然》雜誌主編、英國政府科學大臣、重要媒體的科學編輯。用CEO福克斯(Fiona Fox)的話說,科學媒體中心是「科學與媒體之間的前線」。

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科學媒介中心CEO福克斯(Fiona Fox)。圖片來源:科學媒介中心
科學媒介中心CEO福克斯(Fiona Fox)。圖片來源:科學媒介中心

接到波洛克教授的求助後,科學媒體中心立即決定安排一場記者會,公佈基改作物農場測試的結果。各大媒體與小報的科學記者們逐漸收到邀請,但政府官員禁止入場。資助該項研究的政府機構官員要求科學家先為他們提供一份內部報告,但遭到了科學家的拒絕。

與此同時,波洛克和其他相關科學家在科學媒體中心的幫助下,開始了緊張的發表會排練。他回憶說:「科學媒體中心提出了許多建議。每當我們使用到晦澀的術語或者說到令人費解的原理時,他們就會喊停。」喊停的方法很特別,他們會說「kiss 」,意思是「keep it simple, stupid」(說簡單點,傻瓜)。

「走進記者會會場是我做過的最恐懼的事情。」波洛克教授寫到。幸好,記者會非常順利。在進行了長達一小時的演講後,波洛克立刻離開會場,去向研究的資助方,曾提出想要一份內部報告的部長做匯報,他的同事則留在現場,回答記者的提問。之後,他們又進行許多場學術演講,描述該項科研中的各種分析細節。這次記者會的效果顯著。第二天,幾乎所有的到會媒體都發表了詳盡的報導,準確解釋了幾乎所有科學細節。

科學媒體中心趁勢追擊,發動更多科學家發表對基因改造的看法,每天發送到各大科學記者的信箱,讓他們了解基改技術的科學事實。英國媒體上,妖魔化基改技術的言論因此逐漸減少,民眾終於能直接收聽來自科學界的聲音了。

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秉筆作劍,迎擊極端環保組織

然而,圍繞基因改造的爭議卻從未停歇。這一次被捲到風口浪尖上的,是世界上最古老的植物研究機構——洛桑研究所(Rothamsted Research)。服務於這個已有170多年歷史的機構的科學家們研究出一種基改小麥,可以釋放出警告訊號,以吸引蚜蟲的天敵,這樣就能阻攔蚜蟲、減少使用殺蟲劑。 2011年,這種小麥進入田間測試環節,科學家也因此面臨輿論壓力。

洛桑研究所完全可以選擇用沉默來應對外界的喧囂。但與10年前不同,洛桑研究所不願陷於公眾的誤解之中。他們作好了要公開整個測試的準備。他們堅信,只有坦誠才能消除誤解,他們要和公眾直接對話。他們製作基改知識的傳單,設立科普基改的網站;他們與當地居民和學校進行交流,邀請議員、養蜂人,甚至反基改的環保組織參觀農田;他們希望大眾能了解,這是個田間實驗,我們需要這樣的實驗。科學家的工作沒有白費。許多曾經在在當地瘋傳的謠言,比如「政府秘密測試」、「小麥通過風中授粉污染其他農田」、「小麥含有動物基因」、「測試為商業利益」等等,不攻自破,漸漸平息。

洛桑研究所的科學家們受到了鼓舞。他們希望能夠讓全國人民都知道他們的工作。 20121月,在科學媒體中心的協助下,洛桑研究所召開了一次記者會,會上休格斯博士(Darren Huges)走向媒體介紹了自己的工作。當第二天各大報導見諸媒體時,休格斯無法抑制自己的驚喜:「媒體的報導原來是可以是科學的。」

然而,「大戰」才剛剛揭幕。洛桑研究所的舉動引起了反基改的環保組織的注意,成為反基改極端分子的目標。一個名叫「取回麵粉」(Take the flour back)的NGO宣稱,將在527日進入研究所毀壞基改農田。在聞「基因改造」色變的主流輿論風氣下,這個抗議活動還獲得一些政客的支持。為了保護研究成果,科學家們別無選擇。他們在Youtube上發布呼籲停止毀田的影片,開了推特帳號與大眾及抗議者公開討論,並開放網路連署活動呼籲停止毀田。在科學媒體中心的幫助下,他們給這個NGO寫了封公開信。在信中,科學家們寫道:

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「你們說基改作物未曾被合理測試過。但我們現在要進行測試了,你們卻要在我們得到任何有用訊息前來毀壞實驗。阻止獲取知識,在這個用理性辯論的時代不是一個有效的方式。你們打算做的事情,就相當於把圖書館中的書籍燒毀,阻止別人發現書中的秘密。」

「我們將這個基改田間測試看作我們不可動搖的信念中的一部分——研究永不停止,技術永不會也不將隨時間而凍結。社會前進的步伐不曾因對曳引機的害怕,而停止在馬車拉犁的時代。我們不曾因滿足小麥可以養活人類,或因害怕它們不再與從前一樣,而停止尋找更好的小麥。

「作為科學家,我們深深知道,我們並沒有所有問題的答案。這就是為什麼我們需要做實驗。這也是為什麼你們不應該破壞實驗的原因。」

Rothamsted Research demonstration
洛桑研究所外抗議基改作物的示威者。圖片來源:theguardian

科學媒體中心在第一時間將公開信轉發到各大媒體——從端莊的《衛報》到熱愛八卦的《每日鏡報》,輿論再次沸騰。洛桑研究所收到無數採訪請求,一時應接不暇。這時,科學媒體中心再次伸出援手,編寫了基改科學基礎的科普短文發給各大媒體。他們還採訪了其他科學家對基改測試的看法,並組織其他機構的科學家接受媒體採訪。科學媒體中心甚至派出工作人員,陪同記者進入洛桑研究所採訪。

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科學媒體中心的賽克斯(Edward Sykes)博士回憶道:「記者可以去到任何角落拍攝所有需要的鏡頭。但當記者問起哪些田地為基改作物時,科學家們遲疑了——他們害怕記者會發表『基改作物地圖』。這樣一來,抗議者就能夠準確破壞基改作物。那個時候,抗議者們就在外面,被警察攔著。但最後,科學家們還是勇敢地回答了所有問題。」

毀田行動最終被警察阻止。「但只有時間能告訴我們,大家的努力對這場輿論爭奪戰有多少效果。」格博士說。科學媒體中心的首席執行官福克斯則說:「我覺得科學與媒體的關係正在逐漸變得積極。」20129月,當法國人塞拉利尼的研究小組發表了一篇食用基因改造玉米的大鼠易得癌的論文時,不到半小時時間,許多科學家已經找到科學媒體中心,紛紛指出論文的錯誤百出(詳細內容,請見果殼文章:轉基因玉米致癌研究撤稿:解決科學爭議的專業化之道)。他們的意見在第一時間被傳達到了媒體,呈現在公眾面前。

輿論三分,政府、媒體、科學家

2011311日,東日本大地震爆發。地震對福島核電廠造成了嚴重的破壞,一場全球性的核危機隨之而來。歐盟的一位官員甚至將其稱為「末世大災難」(apocalypse)。核危機造成的恐慌情緒,使歐洲多國政府公開表示會推遲或取消核電廠項目。人們聞核色變。

路透社的衛生與科學記者凱蘭德(Kate Kelland)清楚地知道,此時的核輻射風險報導有多重要。但她卻對核物理一無所知。她在科學媒體中心事件回憶中寫道:「我不怕大家嘲笑(或許我應該慚愧),一開始我基本是盲人摸象。我在路透社跑衛生科學新聞剛滿一年,才開始理解癌症新藥、豬流感疫苗與瘧疾等名詞。而核危對我來說實在是太遙遠了。我第一次在寫作中碰到了『毫西弗』(mSv)、『放射性同位素』這樣的詞彙。」

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凱蘭德極其迫切地希望得到專家的幫助,以便評估事件對公眾可能造成的影響。但她又需要衡量科學家的可信度:這些科學家為誰工作?他們有多少應對核漏的經驗?他們是否服務於核能工業?他們用於評估現狀的資訊來自何方?

科學媒體中心為凱蘭德這樣的記者提供了許多便利。他們在網站上發布了「事實頁面」,匯集簡短而全面的文章。這些短文由科學媒體中心的工作人員根據科學文獻編寫,方便記者迅速了解與新聞事件有關的科學事實:輻射有不同的類型;輻射可來自日光與食物,也可來自乘坐飛機與核電廠洩露;核輻射測量的單位是西弗,1西弗等於1000毫西弗,1毫西弗等於1000微西弗;核輻射劑量與對人體影響之間的關係等。更多的訊息是關於核電廠的:核電廠由哪些部分組成;壓水式反應爐和沸水式反應爐(福島核電廠)有什麼區別;英國核電廠所用的氣冷反應堆又是怎麼回事……這些簡潔明要的事實闡述,給記者們提供了巨大幫助。

福克斯在2012年的科學媒體中心十週年會議上發表演講。圖片來源:科學媒體中心
福克斯在2012年的科學媒體中心十週年會議上發表演講。圖片來源:科學媒體中心

科學媒體中心也積極聯絡科學家為媒體提供幫助。福島事件爆發不到24小時,英國薩里大學(University of Surrey)核物理教授雷根(Paddy Regan)就接到科學媒體中心的來信,請他對福島第一核電廠的情形予以評價。雷根教授此前曾經與科學媒體中心合作過,對這個機構印像很好,所以他迅速做了一些點評。這些文字很快被轉送到各大媒體。讓雷根沒有想到的是,第二天,媒體的採訪需求蜂擁而至,遠遠超出了他的想像。不過,並非每一位科學家都能直接面對公眾。科學媒體中心CEO福克斯在部落格上寫道:「政府資助的科學機構一再表示歉意,已有禁令下達,他們什麼都不能說。」

而那些願意對公眾發聲的科學家,則覺得受益匪淺。雷根教授表示:「在一次BBC的晨間節目中,我和帝國理工大學的生物教授托馬斯一起出席。她冷靜而有魅力地講述車諾比核電廠事故後的生物影響,這種討論核物理的氛圍實在是超乎想像。」科學媒體中心還在組織了記者會,邀請應用核科學家、核物理學家、流行病學專家與地理學家一同與媒體見面,接受媒體轟炸式的提問。

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參與此次會議的部分科學媒體中心工作人員。圖片來源:科學媒體中心
參與此次會議的部分科學媒體中心工作人員。圖片來源:科學媒體中心

凱蘭德就這樣每天不停與這些科學家對話。她由衷感謝科學媒體中心:「記者們能做到的,是保證我們採訪的是最好的專家,在最充分的訊息上提供最準確的判斷。科學媒體中心使這個事情成真了。」雷根教授則對記者的報導水準十分驚訝:「採訪我們的記者都能問出很有見解的問題,顯然他們已經掌握了其背後的科學知識。」但科學媒體中心的賽克斯博士卻沒有那麼樂觀,他如此總結福島核危機後的英國:「負責制定政策的官員能看到科學家的分析,卻禁止他們發言;公眾生活在困惑與不安中,不知道發生了什麼,不知道應該怎麼辦;狂歡的媒體則樂於用各種方法填充版面,消費這一場災難。」

「在一線工作了10年,現在我想對科學界說:『鼓起勇氣』。」科學媒體中心CEO福克斯說,「與媒體積極互動,可以增加科學的覆蓋面。這麼做,危機也就遠了。」

轉載自果殼網

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果殼傳媒是一家致力於面向公眾倡導科技理念、傳播科技內容的企業。2010年11月,公司推出果殼網(Guokr.com) 。在創始人兼CEO姬十三帶領的專業團隊努力下,果殼傳媒已成為中國領先的科技傳媒機構,還致力於為企業量身打造面向公眾的科技品牌傳播方案。

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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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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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日本福島的核廢水該流向大海嗎?——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/10/29 ・5063字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 作者/張郁婕
    • 日本大阪大學人間科學研究科、清大工科系畢
    • 現為國際新聞編譯
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    • 自 2011 年福島第一核電廠發生事故後,為了冷卻反應爐和防範地下水受汙染而每天產生核廢水,目前儲水空間即將不足。
    • 雖然經處理過後的核廢水含有放射性物質,不過濃度低於排放標準,日本政府將核廢水排放到海洋的做法獲得國際原子能總署背書。
    • 日本漁業業者相當不滿、認為有其他解決方案,臺灣政府僅表達「遺憾與反對」,並無進一步作為。

福島第一核電廠自 2011 年發生事故後,時隔 12 年再次躍上多國新聞版面。但這次不是因為災後核電廠除役與復興、訴訟或是 Netflix 上架的日劇《核災日月》,而是存放在福島第一核電廠廠區內的「核廢水」即將排放大海。福島第一核電廠的「核廢水」從何而來?又為什麼要在這個時間點排入大海?

時隔 12 年再次躍上多國新聞版面。但這次不是因為災後核電廠除役與復興、訴訟或是 Netflix 上架的日劇《核災日月》,而是存放在福島第一核電廠廠區內的「核廢水」即將排放大海。圖/IMDb

回到地震發生時的核電廠

時間回到 2011 年 3 月 11 日。當時東日本大地震與隨後而來的海嘯摧毀了福島第一核電廠的電力系統,導致核電廠在停機之後無法持續注入冷卻水,直到反應爐冷卻。因此發生 1、3、4 號機組氫氣爆炸、1~3 號機組爐心熔毀,以及 1 ~ 4 號機組輻射外洩的事件 註1。這次事故更被歸類為國際核能事件最高級別(第 7 級)的最嚴重意外事故。

在事故發生後,首當要務就是持續冷卻反應爐,直到反應爐的溫度降低。冷卻反應爐需要水,所以當時曾引進海水作為冷卻水。這些在福島第一核電廠事故當下出現在廠房內、遭到放射性核種汙染的水,就是日後的「核廢水」。加上當地曾遭到海嘯襲擊,因此這些受到輻射汙染的核廢水也含有鹽分。

但廠區內受到輻射汙染的水並不是只有事故發生當下出現在廠房內的水,事故發生後只要雨水剛好落在福島第一核電廠廠房上,或是地下水流經福島第一核電廠房底下,都會受到放射性核種汙染。

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保護地下水也會產生核廢水

作為營運福島第一核電廠的東京電力公司,在事故發生後的首要任務就是防止更多乾淨的水遭到輻射汙染,同時也要防止受到輻射汙染的水流出廠房外。所以他們在福島第一核電廠 1~4 號機組外加裝擋水牆,希望隔絕乾淨的地下水流經廠房底下,但這些擋水牆實際上無法有效防止地下水從四面八方流經福島第一核電廠正下方。

再考慮到水的流向,寧可讓乾淨的水流進廠房底下受到輻射汙染、也不能讓受到輻射汙染的水外流,所以東京電力公司必須一直抽取廠房內部受到輻射汙染的水,讓廠房內的地下水位略低於廠房外的水位;但在抽水時又不能使廠房內的水位低太多,否則將會一口氣湧入更大量的地下水、產生更多受到輻射汙染的水。

時至今日,東京電力公司仍每天汲取流經 1~4 號機組的雨水與地下水,使得福島第一核電廠即使到現在,每天都還是會產生核廢水。經過 12 年來的各種嘗試,近年新增的廢水總量已有減少的趨勢,去(2022)年每日平均產生約 90 公噸的核廢水,已是事故發生以來最低的數值。

攝於 2011 年 3 月 16 日從左到右分別為 4、3、2、1 號機。圖/wikipedia

如何處理核廢水?

受到輻射汙染的水在被排放之前需要經過幾道淨化流程。首先是利用「銫吸附裝置」除去水中一部分的銫(caesium, Cs)和鍶(strontium, Sr),再經過淡水化裝置除去水中的鹽分,否則海水中的鹽分會侵蝕、損害廠房設備。接下來這些水有兩種命運:循環再利用或是成為核廢水。

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循環再利用

循環再利用是指受到輻射汙染的水經上述淨化處理後,可以回到福島第一核電廠 1~3 號機組,作為反應爐的冷卻水及輻射防護屏障。即便如此,這些受到輻射汙染的總水量遠多於福島第一核電廠 1~3 號機組的需求,所以絕大多數的水被汲取上岸後,都得存放在福島第一核電廠廠房內一桶又一桶的巨大水槽內,成為沒有其他用途的核廢水。

ALPS 處理水

為了降低核廢水的放射性核種濃度,這些存放在巨型水槽內的核廢水會經過專為福島第一核電廠事故設計的多核種除去設備(advanced liquid processing system, ALPS),而經過 ALPS 淨化處理的核廢水又稱「ALPS 處理水」。

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「多核種除去設備」,顧名思義利用物理或化學方法,大幅降低 62 種人造放射性核種的濃度 註2,但唯獨不能處理氫的同位素——氚(tritium, 3H)。這不是因為多核種除去設備成效不彰,而是即便開發其他設備也很難將氚從水中分離。

由於水分子包含氫原子,而氚和氫是同位素,它們的物理性質和化學性質幾乎一樣,難以使用物理或化學方法將它們分離,因此無法利用 ALPS 或其他方式濾掉氚。

福島第一核電廠內水循環示意圖。圖/科學月刊 資料來源/東京電力公司

快滿出來的核廢水

事實上,福島第一核電廠以外的一般核電廠所排放的廢水當中就含有氚,不過在一般情況下並不會特別放大檢視核電廠廢水當中的氚濃度。

此外,自然界中本來就含有氚,我們日常在使用或是飲用的水中也含有非常微量的氚。例如臺灣對飲用水中氚的容許濃度標準為每公升 740 貝克(Bq),並沒有要求零檢出,也就是數值低到儀器驗不出來的程度。

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但福島第一核電廠的核廢水並不一樣,因為這些是流經福島第一核電廠、遭到人造放射性核種汙染過的水。即使是已處理過的 ALPS 處理水,除了氚之外還是包含低量、因反應爐爐心熔毀而外洩的人造核種,並不能直接排到自然界中。

所以這些水自福島第一核電廠事故以來,被汲取上岸後就一直存放於福島第一核電廠廠區內。

然而福島第一核電廠廠區空間有限,按照它每天產生核廢水的速度來推算,今(2023)年 4 月最新的估計是最快在明(2024)年 2 月以後儲水空間就會不足。該如何為這些存放在廠區內的核廢水找尋新的出路,就成了近年難題。

這個問題在 2013 年討論之初,曾列舉了排放到大海、注入地層、埋到地底下、電解成氫氣後排放到大氣中、轉換成水蒸氣排放到大氣中五種方法。經多年評估、討論後,日本政府在去年決定選用國內、外最常見的核電廠含氚廢水的排放方法,在確保廢水中的放射性核種的濃度符合標準 註3、沒有超標的情況下,就能將核廢水稀釋後排放到海洋。

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ALPS。圖/wikimedia

民眾為什麼反對?

早在日本政府確定選擇「排入大海」這個方案前,就有許多反對聲浪。最主要的原因就如前面所說,福島第一核電廠核廢水和一般核電廠的廢水差異在於含有爐心熔毀釋放的人造放射性核種,氚只是這些放射性核種當中的其中一種。

即便福島第一核電廠核廢水在 ALPS 淨化處理後,除了氚以外的放射性核種濃度大幅降低,且符合科學上的排放標準,但和「沒有發生事故」的核電廠廢水相比,內容物組成還是有所不同。

不過國際原子能總署(International Atomic Energy Agency, IAEA)在今年 7 月公布的報告書表示,目前日本提出的方案符合國際安全標準,ALPS 處理水的輻射量也極低,幾乎可以無視輻射對人體或環境的影響,國際水域也幾乎不會因此受到影響。與此同時,IAEA 也會與第三方機構持續監測、分析 ALPS 處理水排放的狀況。

但上述都是關於核廢水放射性物質濃度是否符合目前科學認定的安全標準討論,撇開在科學上是否經得起檢驗、一翻兩瞪眼的檢測問題,民眾願不願意接納這些「科學上的論點」,有時還會有情感方面的考量。

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對於福島漁業來說,政府好不容易才在 2021 年解除試驗性捕魚,當地漁業才正準備要復甦。更何況日本政府先前曾承諾在未取得漁業相關業者的理解之前,不會將福島第一核電廠的核廢水排入大海,但現在的態度卻是要趕在福島第一核電廠放不下更多核廢水之前,陸續將核廢水排入大海,讓當地漁業業者相當不滿。

受核放射線影響,阿武隈川被禁漁10年。圖/wikimedia

此外,也有一派反對聲浪認為日本政府僅因經濟效益考量,而選定「排入海洋」的解決方案,考慮不夠周全、詳盡。雖然規模不同、在日本也未曾將含氚的廢水先蒸發成水蒸氣後排放,若採用這種做法或許就能大幅降低對海洋生物的危害。

也有民間團體提議,如果認為核廢水太占體積,將 ALPS 處理水混合類似水泥的材質進行固化處理,就能堆疊起來繼續存放於福島第一核電廠廠區內,而不會汙染到廠區外的環境。但上述這些做法仍有實務上的困難之處,例如廢水蒸發會影響到陸域環境、固化處理後仍會繼續消耗存放空間等。

在臺灣的我們會被影響嗎?

福島第一核電廠核廢水排放在即,臺灣行政院原子能委員會(原能會)近年多次重申福島第一核電廠的廢水是核電廠事故後的廢水,不能和一般核電廠排放的含氚廢水混為一談。

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也許值得慶幸的是,臺灣和日本的直線距離雖然很近,但洋流方向卻未必如此。福島第一核電廠的核廢水排放後,會因為太平洋的環流系統流向,先往東朝美國加州附近水域擴散,再順時針繞來臺灣。

根據原能會的試算,最快要四年後才會流至臺灣附近海域,屆時放射性物質的濃度已低於儀器偵測極限,濃度低到難以被偵測,不會對臺灣附近海域造成輻射安全上的危害。

但中央研究院環境變遷研究中心研究員吳朝榮以過去觀測的海洋數值模擬,福島第一核電廠的核廢水排放後最快一年內就能抵達臺灣附近海域。

目前原能會已和漁業署、氣象局等跨部會合作監測福島第一核電廠核廢水的擴散狀況並進行漁獲、水產的輻射檢測,相關資訊都公開在「放射性物質海域擴散海洋資訊平台」隨時供民眾查閱。

在臺灣的我們暫時不需要過於擔心福島第一核電廠的核廢水會影響臺灣水域,核廢水排放海洋對環境的衝擊也會遠小於福島第一核電廠事故發生之初的狀態。臺灣方面針對日本食品的輻射檢驗標準仍高於歐、美國家,在現行邊境輻射檢驗標準下毋須過於擔心。

註解

  1. 當時 4 號機組處於定期檢修期間,反應爐內並沒有燃料棒,爆炸原因為與 3 號機組共用管線。當 3 號機組爐心熔毀後,放射性物質和氫氣隨著共用管線流入 4 號機組而發生氫氣爆炸。2 號機組雖然免於廠房爆炸,但 2 號機組內部也發生爐心熔毀,當時為了釋放 2 號機組內部壓力避免發生氫氣爆炸,曾將 2 號機組內部含有放射性物質的氣體釋出,造成輻射外洩。
  2. 放射性核種指的是會自然釋放輻射的放射性元素,依據這些放射性元素的形成方式,又可分為存在於自然界中的「天然核種」與「人造核種」。核電廠發電過程產生的放射性元素,都屬於人造核種。
  3. 目前日本針對福島第一核電廠「核廢水」濃度規範是:
    a.針對所有放射性核種整體的有效輻射劑量須低於每年 1 毫西弗(mSv/year)。
    b.除了氚以外的其他放射性核種實際濃度佔該核種告示濃度的比值總和(稱為「告示限度比」或「告示濃度比總和」)必須<1。

參考資料

  • 行政院原子能委員會,2023 年 6 月 13 日。原能會成立跨部會合作平台,做好日本福島含氚廢水排放因應準備,行政院原子能委員會
  • 台灣科技媒體中心,2023 年 6 月 13 日。「日本將排放含氚核廢水」專家意見,台灣科技媒體中心
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 9 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/07/10 ・676字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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