心靈癱瘓──無法停止的強迫思考

• 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。

16 歲的女兒罹患非何杰金氏淋巴癌（non-Hodgkin’s lymphoma），^[1]異常的淋巴細胞循環全身，不曉得會往哪裡擴散腫瘤。^[2]身為母親的她，愛莫能助，憂心難眠。眼看女兒接受化療，髮絲一縷一縷地落在床單上；一股想「吃掉頭髮」的衝動，竟在心底萌生。^[1]

吃頭髮

她不假思索地拾起 4、5 根女兒的頭髮，揉成球，往嘴塞，慢慢咀嚼。髮絲觸碰舌頭的感覺，彷彿使焦慮溶解，便能整團往肚裡吞。食髓知味，她將女兒整週的落髮，小心裝進塑膠袋。接著的 2 個月，只要情緒超載，她便取些存貨來品味。^[1]

該母親今年 36 歲，來自中美洲，操西班牙語，和伴侶還有 2 個女兒同住美國。雖然教育程度低落，靠幹粗活維持生計，但這無礙她於網路上吸收資訊。好奇自己新養成的習慣是否正常，她上網搜尋，得到以下結果：據說食髮的人，到後來或許會吃土、喝漆…。預言驚悚，真偽不明，重點是該如何抗拒頭髮的魅力？^[1]

天人交戰之際，她向家庭醫師求助；後者覺得這大概與營養不良有關。畢竟女兒確診癌症後，她胃口盡失，體重嚴重下滑。遵循專業建議，她馬上調整飲食，並停吃女兒的頭髮。隔月，電腦斷層掃描奇蹟似地，顯示女兒的腫瘤縮小。她 3 個月來的奇怪慾望，亦自此煙消雲散。^[1]

毛糞石

不闇英語，跑急診極是麻煩，所幸有傳譯服務。她說，已經腹痛、噁心、嘔吐和便秘數週。醫師透過剖腹探查手術（exploratory laparotomy），找到一球填飽胃部的毛糞石（trichobezoar），尾端還延伸到十二指腸。移除完實體的「毛」病，她馬上被轉診精神科。^[1]畢竟這類滿腹異物的案例，與精神問題脫不了關係。（噁心，請慎入！非當事人的剖腹探查手術以及毛糞石照片。（CC BY 4.0））^[3]

適應障礙

精神醫師聆聽這名母親闡述她的故事，並考慮了數種可能的診斷，例如：

• 異食癖（pica）：吃毫無營養價值的物質，像是土、紙、木炭、粉筆、衣物和爽身粉等，時間超過一個月，^[4]常發生在兒童與孕婦身上。^[1]
• 強迫症（obsessive-compulsive disorder，簡稱 OCD）：為了舒緩揮之不去，又惱人焦心的感受，發展出強迫性的儀式。^[5]某個程度上，她的確與此描述雷同。然而，對女兒病情的擔憂，並無過慮，而且怪異的行為，僅限那段特定的日子。^[1]
• 重度憂鬱症（major depressive disorder）：情緒長期低迷，缺乏動力和興致，食慾改變，睡眠絮亂，心理性動作遲緩，無法集中注意力，感到罪惡或一文不值，也許想自殺。^[6]該名母親雖然心情不好，有其中幾項症狀，卻也還沒慘到全盤符合定義。^[1]
• 拔毛癖（trichotillomania）與食髮癖（trichophagia）：一般是指拔除或食用自己的頭髮；而不是別人的。^[1]

最後，考量這名母親的調適問題，在外來壓力解除後就消失，醫師認為應該歸屬「適應障礙（adjustment disorder）伴隨混合性情緒與行為失調」。精神科安排她去心理治療，並開了抗憂鬱劑米氮平（mirtazapine），進一步改善其焦慮、睡眠和胃口。後來回診追蹤的情形良好，未再復發。^[1]

創造病名

至於吃頭髮的部份，以往的文獻中，出現過食用自己的、自己和別人的，或是人工接髮的案例。總之，就是和這名母親的行徑不完全相同。把此個案報告投稿至期刊的作者群，於是為她創了個新字──「allotrichophagia」，即希臘文「食用別人毛髮」的意思。^[1]

參考資料

1. Huremović D, Nagalla ML, Khan S. (2022) ‘Allotrichophagia: A Unique Case of Parental Adjustment to Filial Pediatric Malignancy’. Case Reports in Psychiatry, 5949321.
2. ‘Non-Hodgkin’s lymphoma’. (26 OCT 2022) Mayo Clinic.
3. Pipal D K, Verma V, Murlidhar M, et al. (2022) ‘Gastric Perforation With Peritonitis Secondary to a Trichobezoar: A Literature Review and Report of a Rare Presentation’. Cureus, 14(4): e24359.
4. Al Nasser Y, Muco E, Alsaad AJ. (27 JUN 2022) ‘Pica’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
5. Brock H, Hany M. (15 AUG 2022) ‘Obsessive-Compulsive Disorder’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
6. Bains N, Abdijadid S. (01 JUN 2022) ‘Major Depressive Disorder’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

要理解焦慮，可以把它想成一個量表，一端是臨床疾患，而日常的焦慮則占了量表上絕大多數的部分。本書談的是日常的焦慮，但值得一提的是，被診斷患有臨床焦慮症的人數非常驚人。

目前美國有二八％的人，一生中曾被診斷患有某種類型的焦慮症，也就是超過九千萬人。心理學家和精神科醫師，按照症狀的發展和顯現，將焦慮症分為六種類別。

廣泛性焦慮症
（Generalized Anxiety Disorder，GAD）

這是最常見的症狀，指被日常生活中的各種憂慮淹沒，包括家庭和人際關係、健康、工作或事業，以及金錢。患有廣泛性焦慮症的人無法停止擔心，而且通常會無法看清威脅的真相。

根據美國焦慮與憂鬱協會（Anxiety and Depression Association of America，ADAA） 的說明， 廣泛性焦慮症的症狀包括：

• 持續感到擔心或覺得即將發生危險
• 呼吸急促
• 睡不著
• 難以專心或維持注意力
• 腸胃持續感到不適

社交焦慮症
（Social Anxiety Disorder，SAD）

通常被稱為社交恐懼症。患者對社交場合感到恐懼，擔心別人怎麼看自己，以及他們是否屬於某個社交團體或被接納。極端的社交焦慮症可能觸發恐慌（請參閱下頁有關恐慌症［panic disorder］的說明）。

根據美國焦慮與憂鬱協會的說明，許多有社交焦慮症的患者，身體會出現很明顯的症狀，包括：

• 心跳快速
• 噁心想吐
• 流汗

有些極端焦慮的人會發展出恐慌症，特色是忽然感到強烈的警覺或恐懼。

根據美國焦慮與憂鬱協會的說明，恐慌症通常伴隨以下情形：

• 流汗
• 顫抖或發抖
• 呼吸急促感或窒息感
• 胸痛或不舒服
• 噁心想吐或腹部不適
• 暈眩、不自在、頭昏眼花或昏厥
• 感覺冷或熱
• 感覺異常（麻痺或刺癢感）
• 失真感（derealization，感覺不真實）或是自我感消失（depersonalization，感覺脫離自己的身體）

強迫症
（Obsessive Compulsive Disorder，OCD）

這類焦慮症呈現的是強迫性行為，或是反覆的思維模式。一開始某些行為可能是用來減輕焦慮的應對策略，但後來行為本身卻變成了問題，反而使焦慮惡化而不是減輕。

根據美國焦慮與憂鬱協會的說明，強迫症的患者可能過於憂心汙染、執著於乾淨，而且需要把物品對稱擺放。常見的強迫症包括檢查、清潔／清洗和排列物品。

創傷後壓力症候群
（Posttraumatic Stress Disorder，PTSD）

是「經歷或見識過天災、重大事故、恐攻事件、親愛的人忽然死亡、戰爭、暴力人身攻擊，例如性侵，或是其他威脅生命的事件」的人，其常有的心理健康狀態。

根據美國焦慮與憂鬱協會的說明，美國有八百萬人（約占人口的七％至八％）有創傷後壓力症候群。這種疾患有三種主要症狀：

• 透過侵入性的痛苦回憶事件、瞬間恐怖經驗再現（flashback）和惡夢，反覆經歷創傷
• 情緒麻痺和避開會回想起創傷的地方、人和活動
• 警醒度增加（increased arousal）， 例如難以入睡、無法專注、感覺焦躁、暴躁和易怒

除了上述的情況，有些焦慮疾患呈現為特定的恐懼症，這種情況下的焦慮是與痛苦的事有關，或是非理性的恐懼。常見的恐懼症有恐懼飛行、恐懼昆蟲、恐懼封閉的空間，例如電梯，恐懼橋梁或懼高。恐懼症是非常強烈的恐懼，人們會想方設法避開恐懼的來源，因此每天會避免做某些事。

一定要記住， 這些類型的疾患都有程度的分別，並且視壓力的量和類型而定，焦慮與恐懼的強度和持續的期間也會不同。許多嚴重的臨床疾患可以用精神藥物（psychopharmacological medicine）來控制，藥物可以抑制或轉移神經系統，並減輕焦慮。

你的焦慮屬於哪一種？

美國焦慮與憂鬱協會開發了一張表（見下頁表格），幫助我們區分日常焦慮和臨床焦慮（焦慮症）疾患。

看看這些特徵，其中許多日常焦慮的跡象看來很熟悉，而且可能不嚴重。臨床疾患比較嚴重且具有破壞性。要記住的是，焦慮基本的生理學大致上是一樣的；差別在於表現的方式不同。焦慮是可以改變、可調整的，就像我們大腦的其他特色一樣。

好消息是，我們有能力可以控制日常的焦慮；確實，我們古老的神經生理是可以更新的。我們可以有意識地使用和運用神經可塑性（neuroplasticity）的原則，並學習如何更有效率地管理環境中的壓力源，才不會被焦慮所控制，而是由我們來控制焦慮。

——本文摘自《改造焦慮大腦：善用腦科學避開焦慮迴路，提升專注力、生產力及創意力》，2022 年 12 月，聯經出版公司，未經同意請勿轉載。