DIGITIMES
詹益仁
乾坤科技技術長
曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。
ChatGPT預示人工智慧挑戰量子運算可能性
去年(2022年)底科技界最火紅的話題,莫過於OpenAI所推出的ChatGPT,這是個可以透過文字或對話,與人類直接互動的人工智慧產物。由於我們是無法有效地分辨出所互動的對象是人或機器,達到所謂圖靈驗證(Turing test)的終極要求。GPT(generative pre-trained transformer)是所謂的生成型人工智慧(AI),只要有主題句或初始對話,這已被訓練好的生成型人工智慧,即可寫出一篇文字流暢且具思想的文章,或者與我們侃侃而談。人工智慧的發展及演進已經歷好幾個世代,早已跳脫利用海量資訊,將人類過往的知識及經驗,蛛絲馬跡般地尋找出最適切的解決方案,取而代之的是機器自己的學習,並創造出人類沒有嘗試過的解決方案。生成型人工智慧就是近來備受關注的,其所使用的是自我迴歸(auto-regressive)演算法。程式設計師需要將所欲解決問題的基本規則輸入,包括相關的參數,並設定好最終的目標值。接著電腦就開始不間斷地自我學習(預測)以及檢驗,找出各參數在這個當下時間節點的輸出預測值,並與上一個時間節點的輸入參數做比較(檢驗),如果兩者間有其相關性,則對於下一個時間節點的預測就更有把握及準確。一旦達到所設定的目標值,這個人工智慧的自我訓練就大功告成。DeepMind在幾年前所推出的AlphaZero,在經過4小時的自我學習訓練,隨即打敗所有下西洋棋的電腦程式。自我迴歸演算法,在各參數不斷地預測及檢驗的循環下,需仰賴龐大的計算能力。所幸先進的半導體技術,已提供所需的運算平台。以使用4奈米技術所製作的最先進高速運算晶片為例,其晶片已內含超過1,000億個電晶體。不久前超微(AMD)在CES 2023會場上,所發表新一代的運算架構,9顆小晶片(chiplet)的堆疊,使電晶體數目更超過1,400億顆。其實說穿了,生成型人工智慧與量子運算是殊途同歸,兩者解決問題所採取的步驟都是類神經網路的架構,在不斷地預測與優化間,找到最適切的解答。不同的是,量子運算乃自然界微觀世界所提供的量子疊加(superposition)與糾纏(entanglement);人工智慧是人為演算法及半導體算力。自然界產物比較難以捉摸,人為的世界比較可以預測。量子運算的硬體架構經過多年的發展,依然很難決定要往哪一個方向前進,這其中製作量子位元(qubit)相關的技術就包括超導體、離子阱(ion trap)、光子或者電子自旋(spin)。在資源無法集中的情況下,勢必會影響到量子運算達到實際應用的時程表。甚至有專家開始提出,結合超級電腦人工智慧運算的能力,以及量子運算的獨特性,相輔相成共同完成艱鉅問題的解決能力。換言之,當量子運算還不清楚該如何跨出下一步時,生成型人工智慧在演算法不斷地精進,及更龐大運算能力的硬體支持下,已逐漸挑戰到未來量子電腦所擅長的領域。科技的發展很難用以始為終的邏輯來判斷,需要密切關注發展中的每一個環節,並時時做修正。以TFT-LCD顯示器為例,OLED的確有非常好的條件取代TFT-LCD,但是整體發展下來,OLED也僅能在中小尺寸的顯示器有所著墨。反而TFT-LCD採用OLED作為背光源,更壯大TFT-LCD在產業的聲勢。個人淺見認為,量子運算有可能走入OLED的命運,甚至更慘。2022年諾貝爾物理獎頒給在量子資訊領域有傑出貢獻的3位學者,一時間有不少的報導認為量子運算已備受肯定,未來商品化的價值指日可待。事實上諾貝爾委員會所表彰的是這三位學者,以實驗證明貝爾不等式(Bell inequalities)的不存在,也間接地指出愛因斯坦狹義相對論的不完備。這全然是根源於基礎物理的實證,與未來的應用沒有關聯。諾貝爾委員會曾頒過2次物理獎給量子霍爾效應(quantum Hall effect)相關研究,原先也被認為未來會有應用及商品化的價值,但後來都沒發生。台灣投入不少資源在量子運算的發展上,但如果以未來應用的可行性來審視,人工智慧的發展更應該要有積極的規劃。
2023-02-06
世足賽的科技足球
4年一次的第22屆世界盃足球賽(下稱世足賽),於2022年底在卡達風光落幕,阿根廷在足球巨星Lionel Messi的帶領下,奪得阿根廷隊史第三座世足賽冠軍,僅次於巴西的5座,以及德國及義大利的4座。此次世足賽除了入圍的32支隊伍的精彩演出外,另一個吸睛的焦點是那顆科技感十足的足球。媒體也大幅地報導在比賽前那顆足球要先充飽電,才能上場。舉凡比賽時,該足球在場內運動的3維軌跡,如座標、速度、角速度及加速度等都會被完整記錄,而且是即時將資料傳送到資料庫及訊號處理器上。在葡萄牙對戰烏拉圭的那場球,葡萄牙大將Cristiano Ronaldo將隊友傳球,用頭錘應聲入網。大家都以為是Ronaldo建功,但事後分析數據顯示球只些許碰觸到Ronaldo的頭髮,該進球最後是判給其隊友。如果讀者還有印象,在1986年阿根廷奪冠的世足賽,八強賽中阿根廷對上英格蘭,Diego Maradona用頭錘進了關鍵一球,以2:1氣走英格蘭。事隔多年後,Maradona承認當時是用左手撥進那顆球,並被稱之為上帝之手(The hand of God)。如果那時就有如此先進的足球,很容易就能夠真相大白了。這顆足球是如何做到有如此的神奇功能?原來足球內含了一個慣性量測單元(inertial measurement unit;IMU),以及超寬頻無線傳輸系統(ultra wide band;UWB),加起來重量不到15公克。IMU是由三軸陀螺儀及三軸加速器所組成,使用矽基板的微機電技術(MEMS)所製作。矽基板除了是積體電路製作上最關鍵的材料外,矽原子間是以共價鍵作為鍵結,本身也具有非常優異的機械特性。試想一個12吋的晶圓,直徑的長度是30公分,而厚度卻不到0.1公分,在此長度與厚度比值超過300的基板上,頭尾的平整度卻能夠維持在1個原子差距內,可見其機械強度的優越性。因此在1980年代,學術機構開始利用矽基板及半導體的微影製程,製作出各式微機械元件,如微小型的齒輪、軸承,滑桿等。再加上使用的是矽基板,很自然地可以將相關的資訊以電訊號傳送出來,所以統稱為微機電。由於是將力學資訊轉換為電訊號,因此也被稱為感測器(sensor)或傳感器(transducer)。IMU的製作是利用半導體的製程,在矽基板表面先製作出一個感應膜(membrane),其下方是被掏空的,而感應膜是以精巧的懸臂與矽基板相連接。感測膜的設計,可以用來偵測不同方向的直線加速或旋轉的力量,藉由感應膜的位移、偏移或轉動,隨之改變感測器的電阻值或電容值,間接地也得知受力的方向及強度。由於是微小化的感測器,所以才能放置在足球內。UWB與其他無線通訊系統最大的差異,在於其使用的是脈衝式無線電波,就如同雷達般,除了可傳輸數據外,更能夠精準地量測物件的位置,再加上低功耗特性,近來開始使用在感測網路(sensing network)、物聯網(IoT)應用。如果在足球場的周圍架上十幾個UWB的相位天線,一來可以接收由足球所傳來關於球運動軌跡的資訊,另一方面也可以即時精準定位足球;甚至球隊在訓練時,讓每一位球員都戴上UWB發射器,教練就可以完全掌握住每位球員的跑位,以及足球運動方位的資訊。除了IMU及UWB外,此次世足賽也採用表面有微凹結構的足球,如同高爾夫球的表面一樣。由於球在運動時,球的後方會產生一個氣壓較低的區域,形成擾流(turbulence),增加足球阻力,也增加運動的不穩定性。這些表面的微凹結構,能夠有效減少此後方低氣壓的區域,增加球速及穩定性,同時也增加守門員的挑戰,不過這些都是球迷所樂見的。足球是世界上運動人口及球迷最多的運動,也是資源投入最多及市場規模最大的運動項目。現代的科技無所不在,運動市場是科技業很好的合作平台,不僅擁有龐大商機,同時也造福廣大球迷。
2023-02-02
智慧應用 影音