用十分鐘向 nand2tetris 學會設計處理器

本文與 美商德州博藝社科技 HEART 合作，泛科學企劃執行。

提到台灣令人焦慮的交通，多數人會想到都市裡的壅塞車潮，但真正致命的「塞車」，其實正悄悄發生在我們體內的動脈之中。

這場無聲的危機，主角是被稱為「壞膽固醇」的低密度脂蛋白（ Low-Density Lipoprotein，簡稱 LDL ）。它原本是血液中運送膽固醇的貨車角色，但當 LDL 顆粒數量失控，卻會開始在血管壁上「違規堆積」，讓「生命幹道」的血管日益狹窄，進而引發心肌梗塞或腦中風等嚴重後果。

科學家們還發現一個令人困惑的現象：即使 LDL 數值「看起來很漂亮」，心血管疾病卻依然找上門來！這究竟是怎麼一回事？沿用數十年的健康標準是否早已不敷使用？

膽固醇的「好壞」之分：一場體內的攻防戰

膽固醇是否越少越好？答案是否定的。事實上，我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種：高密度脂蛋白（High-Density Lipoprotein，簡稱 HDL）和低密度脂蛋白（ LDL ）。

想像一下您的血管是一條高速公路。HDL 就像是「清潔車隊」，負責將壞膽固醇（ LDL ）運來的多餘油脂垃圾清走。而 LDL 則像是在血管裡亂丟垃圾的「破壞者」。如果您的 HDL 清潔車隊數量太少，清不過來，垃圾便會堆積如山，最終導致血管堵塞，甚至引發心臟病或中風。

因此，過去數十年來，醫生建議男性 HDL 數值至少應達到 40 mg/dL，女性則需更高，達到 50 mg/dL（ mg/dL 是健檢報告上的標準單位，代表每 100 毫升血液中膽固醇的毫克數）。女性的標準較嚴格，是因為更年期後]pacg心血管保護力會大幅下降，需要更多的「清道夫」來維持血管健康。

相對地，LDL 則建議控制在 130 mg/dL 以下，以減緩垃圾堆積的速度。總膽固醇的理想數值則應控制在 200 mg/dL 以內。這些看似枯燥的數字，實則反映了體內一場血管清潔隊與垃圾山之間的攻防戰。

那麼，為何同為脂蛋白，HDL 被稱為「好」的，而 LDL 卻是「壞」的呢？這並非簡單的貼標籤。我們吃下肚或肝臟製造的脂肪，會透過血液運送到全身，這些在血液中流動的脂肪即為「血脂」，主要成分包含三酸甘油酯和膽固醇。三酸甘油酯是身體儲存能量的重要形式，而膽固醇更是細胞膜、荷爾蒙、維生素D和膽汁不可或缺的原料。

這些血脂對身體運作至關重要，本身並非有害物質。然而，由於脂質是油溶性的，無法直接在血液裡自由流動。因此，在血管或淋巴管裡，脂質需要跟「載脂蛋白」這種特殊的蛋白質結合，變成可以親近水的「脂蛋白」，才能順利在全身循環運輸。

肝臟是生產這些「運輸用蛋白質」的主要工廠，製造出多種蛋白質來運載脂肪。其中，低密度脂蛋白載運大量膽固醇，將其精準送往各組織器官。這也是為什麼低密度脂蛋白膽固醇的縮寫是 LDL-C (全稱是 Low-Density Lipoprotein Cholesterol )。

當血液中 LDL-C 過高時，部分 LDL 可能會被「氧化」變質。這些變質或過量的 LDL 容易在血管壁上引發一連串發炎反應，最終形成粥狀硬化斑塊，導致血管阻塞。因此，LDL-C 被冠上「壞膽固醇」的稱號，因為它與心腦血管疾病的風險密切相關。

高密度脂蛋白（HDL） 則恰好相反。其組成近半為蛋白質，膽固醇比例較少，因此有許多「空位」可供載運。HDL-C 就像血管裡的「清道夫」，負責清除血管壁上多餘的膽固醇，並將其運回肝臟代謝處理。正因為如此，HDL-C 被視為「好膽固醇」。

過去數十年來，醫學界主流觀點認為 LDL-C 越低越好。許多降血脂藥物，如史他汀類（Statins）以及近年發展的 PCSK9 抑制劑，其主要目標皆是降低血液中的 LDL-C 濃度。

然而，科學家們在臨床上發現，儘管許多人的 LDL-C 數值控制得很好，甚至很低，卻仍舊發生中風或心肌梗塞！難道我們對膽固醇的認知，一開始就抓錯了重點？

傳統判讀失準？LDL-C 達標仍難逃心血管危機

早在 2009 年，美國心臟協會與加州大學洛杉磯分校（UCLA）進行了一項大型的回溯性研究。研究團隊分析了 2000 年至 2006 年間，全美超過 13 萬名心臟病住院患者的數據，並記錄了他們入院時的血脂數值。

結果發現，在那些沒有心血管疾病或糖尿病史的患者中，竟有高達 72.1% 的人，其入院時的 LDL-C 數值低於當時建議的 130 mg/dL「安全標準」！即使對於已有心臟病史的患者，也有半數人的 LDL-C 數值低於 100 mg/dL。

這項研究明確指出，依照當時的指引標準，絕大多數首次心臟病發作的患者，其 LDL-C 數值其實都在「可接受範圍」內。這意味著，單純依賴 LDL-C 數值，並無法有效預防心臟病發作。

科學家們為此感到相當棘手。傳統僅檢測 LDL-C 總量的方式，可能就像只計算路上有多少貨車，卻沒有注意到有些貨車的「駕駛行為」其實非常危險一樣，沒辦法完全揪出真正的問題根源！因此，科學家們決定進一步深入檢視這些「駕駛」，找出誰才是真正的麻煩製造者。

LDL 家族的「頭號戰犯」：L5 型低密度脂蛋白

為了精準揪出 LDL 裡，誰才是最危險的分子，科學家們投入大量心力。他們發現，LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質，其成員有大小、密度之分，甚至帶有不同的電荷，如同各式型號的貨車與脾性各異的「駕駛」。

早在 1979 年，已有科學家提出某些帶有較強「負電性」的 LDL 分子可能與動脈粥狀硬化有關。這些帶負電的 LDL 就像特別容易「黏」在血管壁上的頑固污漬。

台灣留美科學家陳珠璜教授、楊朝諭教授及其團隊在這方面取得突破性的貢獻。他們利用一種叫做「陰離子交換層析法」的精密技術，像是用一個特殊的「電荷篩子」，依照 LDL 粒子所帶負電荷的多寡，成功將 LDL 分離成 L1 到 L5 五個主要的亞群。其中 L1 帶負電荷最少，相對溫和；而 L5 則帶有最多負電荷，電負性最強，最容易在血管中暴衝的「路怒症駕駛」。

2003 年，陳教授團隊首次從心肌梗塞患者血液中，分離並確認了 L5 的存在。他們後續多年的研究進一步證實，在急性心肌梗塞或糖尿病等高風險族群的血液中，L5 的濃度會顯著升高。

L5 的蛋白質結構很不一樣，不僅天生帶有超強負電性，還可能與其他不同的蛋白質結合，或經過「醣基化」修飾，就像在自己外面額外裝上了一些醣類分子。這些特殊的結構和性質，使 L5 成為血管中的「頭號戰犯」。

當 L5 出現時，它並非僅僅路過，而是會直接「搞破壞」：首先，L5 會直接損傷內皮細胞，讓細胞凋亡，甚至讓血管壁的通透性增加，如同在血管壁上鑿洞。接著，L5 會刺激血管壁產生發炎反應。血管壁受傷、發炎後，血液中的免疫細胞便會前來「救災」。

然而，這些免疫細胞在吞噬過多包括 L5 在內的壞東西後，會堆積在血管壁上，逐漸形成硬化斑塊，使血管日益狹窄，這便是我們常聽到的「動脈粥狀硬化」。若這些不穩定的斑塊破裂，可能引發急性血栓，直接堵死血管！若發生在供應心臟血液的冠狀動脈，就會造成心肌梗塞；若發生在腦部血管，則會導致腦中風。

L5：心血管風險評估新指標

現在，我們已明確指出 L5 才是 LDL 家族中真正的「破壞之王」。因此，是時候調整我們對膽固醇數值的看法了。現在，除了關注 LDL-C 的「總量」，我們更應該留意血液中 L5 佔所有 LDL 的「百分比」，即 L5%。

陳珠璜教授也將這項 L5 檢測觀念，從世界知名的德州心臟中心帶回台灣，並創辦了美商德州博藝社科技（HEART）。HEART 在台灣研發出嶄新科技，並在美國、歐盟、英國、加拿大、台灣取得專利許可，日本也正在申請中，希望能讓更多台灣民眾受惠於這項更精準的檢測服務。

一般來說，如果您的 L5% 數值小於 2%，通常代表心血管風險較低。但若 L5% 大於 5%，您就屬於高風險族群，建議進一步進行影像學檢查。特別是當 L5% 大於 8% 時，務必提高警覺，這可能預示著心血管疾病即將發作，或已在悄悄進展中。

對於已有心肌梗塞或中風病史的患者，定期監測 L5% 更是評估疾病復發風險的重要指標。此外，糖尿病、高血壓、高血脂、代謝症候群，以及長期吸菸者，L5% 檢測也能提供額外且有價值的風險評估參考。

隨著醫療科技逐步邁向「精準醫療」的時代，無論是癌症還是心血管疾病的防治，都不再只是單純依賴傳統的身高、體重等指標，而是進一步透過更精密的生物標記，例如特定的蛋白質或代謝物，來更準確地捕捉疾病發生前的徵兆。

您是否曾檢測過 L5% 數值，或是對這項新興的健康指標感到好奇呢？

 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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