將涓涓細流開創成大江大海－《勇不放棄》

• 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。

唐獎法治獎召集人、台灣大學講座教授葉俊榮今（21）日宣布，2022 年唐獎法治獎頒發給雪柔．頌德絲 (Cheryl Saunders) 教授。頌德絲教授以深厚的學養，引領亞太地區許多國家在極為嚴峻的環境中訂立立憲方針，推動立憲工程，數十年來，與國內外學者及政治工作者的積極交流、對話、合作，不斷拓展比較憲法的疆界。

推動亞太最重要的憲法研究交流中心

獲頒唐獎，頌德絲教授深感榮幸，也對歷屆法治獎得主在法治領域影響深遠的貢獻表達欽佩之意。頌德絲教授致力於亞太國家的立憲工程，她表示「比較憲法可以為我們目前的世界做出很多貢獻，它有助於相互理解，有助於發現改變和改善治理體系的機會和可能性。」

頌德絲教授曾走訪過許多亞太國家，但她並不是將西方國家的憲法原則注入這些國家，而是與當地人切磋琢磨，透過傾聽、溝通及相互理解，了解彼此的治理體系、人民需求，然後因地制宜，提供符合當地狀況的建議，協助這些國家思考最佳的運作模式。

頌德絲教授說，自己多年來一直在研究這些方法，也取得進展，更謙虛的說，「在與當地人民互動的過程中，自己的收穫不亞於付出」。

台大法律學院張文貞教授介紹得主時指出，過往整個國際學術社群的重心多放在歐美國家，但頌德絲教授 2003 年至 2007 年擔任國際憲法學會主席時，將比較憲法的網絡延伸到亞太地區，協助亞太地區學者成立亞洲憲法論壇，2009 年第三屆論壇就在台灣舉辦。

在她的努力下，亞洲憲法論壇已經成為亞太學者最重要的一個憲法研究的網絡及經驗傳遞交換的中心；而她在各國立憲工程最重要的影響之一，就是啟發當地的學者，即使她離開了，這些討論與互動也留下豐碩成果，讓當地的學者及非政府組織也有能力繼續耕耘憲改工程。

將年輕學者一起帶入立憲推動

曾參與其間的葉俊榮教授也分享自己親身觀察的頌德絲教授。他表示，亞太國家包括台灣在內，在憲政發展及相關議題的學術討論較西方國家落後，頌德絲教授與各地學者交流，其中不乏年輕學者，而教授貫徹「帶年輕人起來」的想法，帶領亞太地區學者，包括他自己也曾是頌德絲教授帶過的年輕人，對她在亞太地區推行立憲工程的努力，深刻感受到「我們可以做的事情比想像中的還要多」。

葉俊榮教授也強調，台灣過去多借鏡其他國家的法律制定的經驗，受到頌德絲教授的啟發，台灣如今也逐漸能夠扮演回饋的角色，將民主憲政的經驗分享給其他亞太國家。

唐獎教育基金會執行長陳振川表示，唐獎提倡法律應兼顧正當程序與實體正義，為和平、人權、永續發展而奮鬥，以追求人類及自然之共同福祉為最高目標。基金會很榮幸設置了唐獎法治獎，一個世界上具有聲譽的獎項，來獎勵對法治理念或實踐有創新，進而對法治之實現貢獻卓著之個人或機構，並且激勵世人共同努力。

自 2014 年以來，唐獎法治獎頒給了在不同領域，以不同身分，共同為社會、人權及永續發展奮鬥不懈，追求人類與自然共同福祉的得主們，歷屆得主從政治運動家到法官，從學者到組織，遍布各大洲，包括奧比．薩克思、路易絲．阿爾布爾、約瑟夫．拉茲，以及設立於孟加拉的孟加拉環境法律人協會、設立於哥倫比亞的實現正義: 法律、正義暨社會中心 以及設立於黎巴嫩的法律實踐進程組織三個非政府組織，都在不同層面對法治的推動有卓越貢獻。

【關於唐獎】

有感於全球化的進展，人類在享受文明與科技帶來便利的同時，亦面臨氣候變遷、新傳染疫病、貧富差距、社會道德式微⋯⋯等種種考驗，尹衍樑博士於 2012 年 12 月成立唐獎，設立永續發展、生技醫藥、漢學及法治四大獎項，每兩年由專業獨立評選委員會(邀聘國際著名專家學者，含多名諾貝爾獎得主），不分種族、國籍、性別，遴選出對世界具有創新實質貢獻及影響力的得主。每獎項提供 5 千萬獎金，其中含 1 千萬支持相關研究教育計畫，以鼓勵專業人才投入探索 21 世紀人類所需，以頂尖的創新研究成果及社會實踐引領全人類發展。

2022 年唐獎漢學獎授予潔西卡‧羅森（Jessica Rawson）教授，以表彰其精研中國藝術文物之成就。羅森教授視野宏闊，見解精準，為無聲之物發聲，再現人之所未見；審美觀物，傳承薪火，賦予華夏古典嶄新意義。

不同以往得獎者多集中在文學、歷史與思想史領域，著重文字書寫，羅森教授則以藝術史與物質文化研究見長，關注考古出土的器物，使人們看見藝術品所承載的歷史文化，豐富漢學內涵，展現唐獎漢學獎作為世界大獎的開闊格局及視野。

器物上蘊藏的視覺系統

羅森教授為牛津大學中國藝術與考古教授，專研中國青銅器、玉器，關注層面尤其著重中國與中亞鄰國的交流。她近年的研究從馬匹貿易切入，考察沿著絲路與歐亞草原諸族的馬匹貿易。羅森教授指出，歐亞大陸上各個族群都有一套談論器物的傳統，其中蘊藏著所謂視覺系統（visual systems），使人們得以依據社會、信仰或其他層面上的概念、慣例或預設，將器物分門別類。因此也意味著其器物的材質、形式與裝飾具有特定的組合模式。

編按：在電影《孟買女帝》中，出現將茶杯裡的茶倒入下方茶杯碟中，再用茶杯碟喝茶的一幕。

對現代人來說，茶杯碟只是用來墊茶杯，但過去茶杯碟的用法是將茶倒出來，增加茶接觸空氣的表面積，達到快速冷卻的效果，而人們也是用茶杯碟直接喝放涼的茶。

現今茶杯碟已經失去了放涼的功能，但杯子與碟子的特定組合，仍成為了辨識「喝茶器具」的關鍵而被沿用至今，像上述杯子與碟子的組合，我們就稱它為「視覺系統」。

每個社會的傳統與視覺系統都是獨特的，需經過學習才得以熟悉，也深深地影響人們如何看待與解讀所見之物。這樣的視覺系統一旦進入新的脈絡，它們先前所承載的意義將慢慢淡去，進而與不同文化產生新的聯結。藉由視覺系統的研究，能夠釐清西方古典建築的裝飾是如何傳播到西亞，接著沿著絲路來到中國，最終體現在佛教石窟的造型上。這些交流為中國的藝術掀開了全新的一頁，而後隨著蒙古西征，中國藝術的樣貌也反過來傳播到西方世界。

陵墓代表著墓主的微縮宇宙

羅森教授的研究亦對中國古代墓葬文化有深刻的洞見。古代墓葬為其墓主提供了一個完備的死後世界。商周的豎穴土坑墓以青銅器和玉器陪葬，這些器物不但為墓主提供了禮儀及身份所需的物品，也提供戰爭所需的兵器和馬車。

秦代以來的墓葬發生了許多大變化，其中以兵馬俑的出現最為突出。秦始皇陵不僅僅有軍隊，墓中的車馬廄、朝臣、百戲、官員、嬪妃，以及天地星辰的圖像，都為秦始皇的死後世界而創造，陵墓成為墓主的微縮宇宙。

羅森教授的貢獻不僅止於開創性的學術研究。她致力於促進東西方藝術、文化與學術的交流及認識，更在學術範疇之外，向普羅大眾推廣中國文明之博大精深。因其博物館任職經歷，羅森教授身兼學者與實務執行者兩種身分，她策劃展覽所帶來的影響力早已有目共睹。

即便離開大英博物館轉任牛津教授，她仍繼續為大眾展現中國多元的樣貌。如 2005 年末至 2006 年初，在英國皇家藝術學院舉辦的「盛世華章─康、雍、乾三代帝王」（China: The Three Emperors, 1962-1795）特展，即是由羅森教授策劃，向西方社會鮮活重現古老東方文物豐富的藝術內涵。

主持跨國研究計畫促成文化交流

羅森教授出生英國倫敦，畢業於劍橋大學及倫敦大學亞非學院，曾任大英博物館東方文物部主任、牛津大學莫頓學院首位女院長，亦曾出任牛津大學副校長。羅森教授身為一位執行者，主持大型研究計畫，大大地提升了英國與歐洲學界對中國研究的重視。2011 年至 2016 年，跨國研究計畫「中國與內亞：改變了中國的文化交流（西元前 1000 年至西元前 200 年）」（“China and Inner Asia: Interactions Which Changed China （1000-200 BC）”）獲英國最大的學術研究資助單位利華休姆基金會（Leverhulme Trust）獎助。羅森教授與中國學者共同主持，聯合多國專家一同檢視中國、伊拉克、伊朗、中亞的出土文物，與各地博物館的藏品，試圖回溯物質文化的傳播。

而在校園之內，羅森教授促成各國學者至牛津大學進行學術交流，且不遺餘力地支持並培養世界各地的學生，其中有多位如今已成中國藝術與考古領域中的重要學者。羅森教授亦為牛津大學爭取到利華休姆基金會以十年為期的獎助計畫，以支持校內當代中國研究的發展。此計畫獎助了四個學術職位，實質地擴大中國研究的規模，也間接促成了隨後 2008 年牛津大學中國中心（University of Oxford China Centre）的成立。

羅森教授於 1990 年榮膺為英國國家學術院院士（British Academy），2002 年因其在東方研究的貢獻獲英國女王授勳封爵（DBE），2012 年獲選為美國藝術與科學院（American Academy of Arts and Sciences）外籍名譽院士，2017 年獲頒弗瑞爾獎章（Charles Lang Freer Medal）。2022 年唐獎漢學獎授予羅森教授，肯定其在中國藝術與考古領域的成就，不僅為該領域開創了嶄新局面，更加深了人們對中國文明的認識。

【關於唐獎】

有感於全球化的進展，人類在享受文明與科技帶來便利的同時，亦面臨氣候變遷、新傳染疫病、貧富差距、社會道德式微..等種種考驗，尹衍樑博士於 2012 年 12 月成立唐獎，設立永續發展、生技醫藥、漢學及法治四大獎項，每兩年由專業獨立評選委員會（邀聘國際著名專家學者，含多名諾貝爾獎得主），不分種族、國籍、性別，遴選出對世界具有創新實質貢獻及影響力的得主。每獎項提供 5 千萬獎金，其中含 1 千萬支持相關研究教育計畫，以鼓勵專業人才投入探索 21 世紀人類所需，以頂尖的創新研究成果及社會實踐引領全人類發展。