用十分鐘向 nand2tetris 學會設計處理器

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

 Google 新出的 Pixel 7 Pro，其核心繼續沿用上一代開始自行研發的晶片，並且升級為 Google Tensor G2。

由 Google 開發、號稱專為 AI 設計打造的 Tensor 晶片，尤其著重在 TPU。打開處理器 Google Tensor 一探究竟，裡面放著 CPU、GPU，以及擁有 AI 運算能力的 TPU（Tensor Processing Unit）張量處理單元。

什麼是 TPU？與 CPU、GPU 有什麼不同？要了解 TPU，先來看看他的前輩 CPU 和 GPU 是如何運作的吧！

TPU 處理器晶片是什麼？先從了解 CPU 開始！

不論手機、電腦還是超級電腦，當代計算機的通用架構，都是使用以圖靈機為概念設計出來的馮紐曼架構，這個程式指令記憶體和資料記憶體合併在一起的概念架構，從 1945 年提出後就一直被使用到現在。

除了輸入輸出設備外，架構中還包含了三大結構：記憶體 Memory、控制單元 CU 與算術邏輯單元 ALU。在電腦主機中，控制單元 CU 和算術邏輯單元 ALU 都被包在中央處理器 CPU（Central Processing Unit）中；記憶體則以不同形式散佈，依存取速度分為：暫存器（Register）、快取（Cache）、主記憶體（Main memory）與大量儲存裝置（Mass storage）。

算術邏輯單元 ALU 負責運算，透過邏輯閘進行加減乘除、邏輯判斷、平移等基礎運算，透過一次次的運算，完成複雜的程式。有了精密的算術邏輯單元，還有一個很重要的，也是控制單元 CU 最主要的工作——流程管理。

為了加速計算，CU 會分析任務，把需要運行的資料與程式放進離 ALU 最近、存取速度最快的暫存器中。在等 ALU 完成任務的同時，CU 會判斷接下來的工作流程，事先將後面會用到的資料拉進快取與主記憶體，並在算術邏輯單元完成任務後，安排下一個任務給它，然後把半完成品放到下一個暫存器中等待下一步的運算。

CPU 就像是一間工廠，ALU 則是負責加工的機器，CU 則作為流水線上的履帶與機械手臂，不斷將原料與半成品運向下一站，同時控制工廠與倉庫間的物流運輸，讓效率最大化。

然而隨著科技發展，人們需要電腦處理的任務量越來越大。就以照片為例，隨手拍的一張 1080p 相片就含有1920*1080 共 2073600 個像素，不僅如此，在彩色相片中，每一個像素還包含 R、G、B 三種數值，如果是有透明度的 PNG 圖片，那還多一個 Alpha 值（A值），代表一張相片就有 800 萬個元素要做處理，更不用說現在的手機很多都已經能拍到 4K 以上的畫質，這對於 CPU 來說實在過於辛苦。

由於 CPU 只有一條生產線，能做的就是增加生產線的數量；工程師也發現，其實在影像處理的過程中，瓶頸不是在於運算的題目過於困難，而是工作量非常龐大。CPU 是很強沒錯，但處理量能不夠怎麼辦？

那就換狂開產線的 GPU！

比起增加算術邏輯單元的運算速度，不如重新改建一下原有的工廠！在廠房中盡可能放入更多構造相同的流水線，而倉庫這種大型倉儲空間則可以讓所有流水線共同使用，這樣不僅能增加單位體積中的運算效能，在相同時間內，也可以產出更多的東西，減少一張相片運算的時間。

顯卡大廠 NVIDIA 在 1999 年首次提出了將圖形處理器獨立出來的構想，並發表了第一個為加速圖形運算而誕生、歷史上第一張顯卡—— GPU（Graphics Processing Unit）NVIDIA GeForce 256。

在一顆 GPU 中會有數百到數千個 ALU，就像是把許多小 CPU 塞在同一張顯卡上；在影像處理的過程中，CU 會把每一格像素分配給不同的 ALU，當處理相同的工作時，GPU 就可以大幅提升處理效率。

這也是為什麼加密貨幣市場中的「礦工」們，大部分都以 GPU 作為挖礦工具；由於礦工們實際在做的計算並不困難，重點是需要不斷反覆計算，處理有龐大工作量的「工作量證明機制」問題，利用 GPU 加速就是最佳解。

不過，影像處理技術的需求隨著時代變得更加複雜，這就是人工智慧的範疇了。以一張相片來說，要能認出是誰，就需要有一道處理工序來比較、綜合諮詢以進行人臉辨識；如果要提升準度，就要不斷加入參數，像是眼鏡的有無、臉上的皺紋、髮型，除此之外還要考慮到人物在相片中的旋轉、光線造成的明暗對比等。

每一次的參數判斷，在機器學習中都是一層不同的過濾器（filter）。在每一次計算中，AI 會拿著這個過濾器，在相片上從左至右，從上至下，去找相片中是否有符合這個特徵；每一次的比對，就會給一個分數，總分越高，代表這附近有越高的機率符合過濾器想找的對象，就像玩踩地雷一樣，當這邊出現高分數的時候，就是找到目標了。

而這種方式被稱為卷積神經網路（Convolutional Neural Networks, CNN），為神經網路的一種，被大量使用在影像辨識中。除了能增進影像辨識的準確度外，透過改變過濾器的次數、移動時的快慢、共用的參數等，還可以減少矩陣的運算次數、加快神經網路的計算。

然而即便如此，工作量還是比傳統影像處理複雜多了。為應對龐大的矩陣運算，我們的主角 TPU（Tensor Processing Unit）張量處理單元就誕生了！

TPU 如何優化 AI 運算

既然 CNN 的關鍵就是矩陣運算，那就來做一個矩陣運算特別快的晶片吧！

TPU 在處理矩陣運算上採用脈動陣列（Systolic Array）的方式；比起 GPU 中每個 ALU 都各做各的，在 TPU 裡面的資料會在各個 ALU 之間穿梭，每個 ALU 專門負責一部分，共同完成任務。這麼做有兩個好處，一是每個人負擔的工作量更少，代表每個 ALU 的體積可以再縮小；二是半成品傳遞的過程可以直接在 ALU 之間進行，不再需要把半成品借放在暫存區再拿出來，大幅減少了儲存與讀取的時間。

在這樣的架構下，比起只能塞進約 4000 個核心的 GPU，TPU 可以塞進 128＊128 共 1.6 萬個核心，加上每個核心負擔的工作量更小，運算速度也就更快、耗電量更低。我們經常使用的 google 服務，許多也是用了 TPU 做優化，像是本身就是全球最大搜尋引擎的 google、google 翻譯、google map 上都大量使用了 TPU 和神經網路來加速。

2021 年，Google 更把 TPU 導入到自家手機產品中，也就是前面我們提到的 Google Tensor；今年更是在 Pixel 7 中放入升級後的 Google Tensor G2。

Google 表示新款人工智慧晶片可以加快 60% 的機器學習速度，也加快語音助理的處理速度與增加功能、在通話時去除雜音增進通話品質等，不過最有感的還是圖像處理，像是透過 AI 多了修復模糊處理，不僅可以修正手震，還能把舊相片也變得清晰。

現在新款的手機為凸顯不同，越來越強調自家晶片設計與效能的差異；除了 Google 的 TPU 外，其他公司也朝著 AI 晶片的方向前進，包括蘋果、高通、聯發科、中國的寒武紀等，也都發表了自行研發的神經網路處理器 NPU。

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