水能載舟亦能覆舟—談憂鬱症的K他命療效

• 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。

「爸媽把我從課堂拖出來，載去醫療中心，關了將近 10 個月，簡直像坐牢：與親友隔離；每餐被迫吃下的食物份量，毫不合理。我跟病友學習（飲食障礙的）新把戲，之後試行。至少對我來說，那地方治不了病，唯獨令情況惡化。」美國女子回憶 15 – 16 歲時住院的經歷。^[1]

神經性暴食症

她 12 歲半就罹患神經性暴食症（bulimia nervosa）；13 歲被醫師性侵，自殺未遂，送醫手術並住院；15 歲再次試圖輕生後入院；19 歲又被不明人士強暴。^[1]

2021 年女子已經 21 歲，161.92 公分高，46.26 公斤重，身體質量指數（body mass index，縮寫 BMI）僅 17.6 kg/m²，^[1]低於正常範圍的 18.5 到 24.9。^[2]過去一年，狂吃又催吐，平均每日 40 回。畏懼增重，且固守特定的進食行為：計算卡路里；依食物類型排序攝取；無法丟棄剩食。長年的飲食障礙，導致停經（amenorrhoea）、低血鉀症（hypokalemia）、兩側腮腺腫大（bilateral parotid sialadenosis）和假性自發性水腫（pseudo-idiopathic oedema）等併發症。^[1]

她過去還得過重度憂鬱症（major depression）、廣泛性焦慮症（generalised anxiety disroder）、強迫症（obsessive-compulsive disorder）、胃食道逆流（gastro-oesophageal reflux disease）、胃及十二指腸潰瘍（gastric and duodenal ulcers）、甲狀腺功能低下（hypothyroidism），以及腎上腺皮質機能不足（adrenocortical insufficiency）等。此外，有 10 顆牙齒裝了陶瓷貼片，以彌補頻繁催吐，而被胃酸腐蝕的琺瑯質。^[1]

「我完全失去照顧自己的能力：無法思考、上學；停止社交、辦事；連保持基本衛生都是勉強而為。」正在修習認知神經科學的她，不得不跟大學請病假。^[1]

K 他命治療

多年來，精神科藥物、行為介入療法、營養諮詢和強制住院，均不見效。醫師於是建議以實驗性的治療，對抗神經性暴食症。女子在瞭解程序、風險與副作用後，簽署同意書，因為她不想失控地「一路吃到掛」。^[1]

外消旋鹽酸氯胺酮（racemic ketamine hydrochloride）即 K 他命（ketamine），是一種由左旋氯胺酮（S-ketamine，又稱esketamine）和右旋氯胺酮（R-ketamine）兩個鏡像異構物，所組成的化合物。儘管美國食品藥物管理局（FDA）允許以左旋氯胺酮治療重度憂鬱症；開放給 K 他命的用藥範圍，卻只有全身麻醉，而不含精神疾患。^[3]不過，如果醫師認為某合法藥物具有其他用途，還是會在 FDA 未背書該情形之安全性及療效的前提下，採取仿單外使用（off-label use）。^[4]

位於鹽湖城的論壇健康（Forum Health）診所，治療室隱蔽私密，燈光昏暗，氛圍音樂（ambient music）輕柔，^[註]天花板上裝飾有織物藝術品。女子先接受 30 分鐘的心理治療，然後是 40 分鐘的 K 他命靜脈輸注（0.5 mg/kg）。打點滴的期間，血壓、脈搏和血氧濃度全程監控。療程每輪 3 週，每週 2 次，而兩次間隔 48 小時以上。由於病況嚴重，女子總共做了 3 輪。^[1]

當 K 他命進入女子體內，便引發解離（dissociation）的精神狀態，使之「與現實斷聯」。同時，她「失去對身份的感知」，體驗自我消融（ego dissolution），並「看見抽象的幾何圖形」。輕微的複視（diplopia）、不由自主的眼球震顫（nystagmus），還有失語（alogia）也會發生。這些藥物作用皆於療程後立刻解除，但目的療效相當持久。及至其醫師於 2021 年分享個案故事，女子已有超過 1 年的時間，不再受神經性暴食症所苦，並且準備攻讀博士學位。^[1]

備註

氛圍音樂（ambient music）是一種能舒緩焦慮的背景音樂類型。^[5]

參考資料

1. Ragnhildstveit A, Jackson LK, Cunningham S, et al. (2021) ‘Case Report: Unexpected Remission from Extreme and Enduring Bulimia Nervosa With Repeated Ketamine Assisted Psychotherapy’. Frontiers in Psychiatry, 12:764112.
2. U.S. Department of Health & Human Services. (03 JUN 2022) ‘Assessing Your Weight’. U.S. Centers for Disease Control and Prevention.
3. ‘FDA alerts health care professionals of potential risks associated with compounded ketamine nasal spray’. (16 FEB 2022) U.S. Food and Drug Administration.
4. ‘Understanding Unapproved Use of Approved Drugs “Off Label”’. (05 FEB 2018) U.S. Food and Drug Administration.
5. Tully J. (21 SEP 2017) ‘Instrumental and ambient music’. U.K. Royal College of Psychiatrists.

在銀行後巷泊好車，49 歲的巴西男子準備去領錢。幾名歹徒忽然竄出，持槍敲頭，將人押上另一輛車。數小時的挾持下來，他著實覺得要死了。^[1]

社交焦慮症

男子自幼羞澀，畏懼表演和社交。少年時期開始，每逢跟人互動，就顫抖、心悸、發汗。他不搭大眾交通工具，免得其他乘客打量；空有文憑與工作能力，卻頻繁轉職，就是沒膽於同事身旁用餐；報名學寫程式，半途而廢，僅因在同學面前打字極不自在。20 好幾的時候，有個電視節目介紹社交焦慮症（social anxiety disorder）。他看完，主動就醫。^[1]

社交焦慮症是常見的焦慮症種類，高達 13% 的人口在一生中曾患此疾。一般發病甚早，始於青春期。若未妥善治療，可能衍伸其他類型的焦慮症、憂鬱症（depression）及物質成癮等問題。^[1]

里約熱內盧聯邦大學（Federal University of Rio de Janeiro）附設精神醫學機構的醫師，開立鎮靜劑clonazepam，有時再加上抗憂鬱劑。儘管藥物稍能穩定其情緒，卻苦無適合的心理治療。他依然坐困家中，繼續母胎單身。直到 31 歲情竇初開，晨露般純淨短暫的交往，靠電話線懸繫著，連面都沒見上便結束了。37 歲那年，男子憂鬱、失眠、體重劇變、缺乏興致。抗憂鬱劑 nortriptyline 雖將他從低潮撈起，無奈焦慮的宿疾依舊。^[1]

創傷經驗

49 歲時，男子赴銀行提款險些沒命，心靈受到莫大衝擊。依據精神醫學的研究，再來至少有兩種可能的發展：一為「一朝被蛇咬，十年怕草繩」的創傷後壓力症候群（post-traumatic stress disorder）；二是「拍斷手骨顛倒勇」（phah-tn̄g tshiú-kut tian-tò ióng^[2]）的創傷後成長（post-traumatic growth）；亦有文獻認為兩者得以並存。^[1]

創傷後成長是災難性經驗帶來的正面心理影響，例如：轉變信仰、改善人際關係、學會珍視生命，以及提升對自我形象和能力的觀感等。一方面，破壞得大到足以摧毀定見，好創造擁抱新認知的契機；另方面，接下來的反芻，必須賦予該事件意義。置之死地而後生的過程，如同地震滅村，重建起的樓房可以耐震堅韌。^[1]

意外誠然可遇不可求，強度更是無從拿捏；爾後的劇情往哪走，並非全憑運氣。當事人如果勇於面對，不逃避思考及討論其經歷，便有從中蛻變昇華的希望。^[1]

創傷後成長

先是遭擄，然後獲釋，「到頭來我活著，像個贏家」。不會情感麻痺，沒有創傷記憶湧現，並未因此變得神經兮兮，也不刻意迴避相關情境。男子不僅無恙，竟然連焦慮也好了。「曾以為旁人都想著我，很怕被批評。挾持事件後，這般想法毫無意義。」他解釋：「…我領悟到問題源於內在，我決定自己受什麼左右。」不久，男子任職的公司財務困難，薪水減半，他也雲淡風輕。「那個經歷使我茁壯，若是過去大概無法擔待。然而現在我知道，綁架都沒致命，這次更不會。」^[1]

意外發生後，他從此敢在同事面前進食；參加了健身房；較常約會；而且搬離與母親同住的家。時至 2021 年，他的醫師發表其個案報告，擔任行政助理的男子已經 57 歲了，情況依然穩定，享受休閒活動和外出，「人生比從前多彩」。^[1]

參考資料

1. Hühne V, Vigne P, de Menezes GB, et al. (2021) ‘The Remission of Social Anxiety Disorder After Trauma: A Case Report of Posttraumatic Growth?’. Frontiers in Psychiatry, 12:692637.
2. 中華民國教育部「拍斷手骨顛倒勇。」教育部臺灣閩南語常用詞辭典（Accessed on 12 JUL 2023）