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詹益仁
  • 乾坤科技技术长
曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司CEO。
科学家的上帝情结
科学家们追求真理是亘久不变的道理,因此主宰整个宇宙的上帝,便成为他们心目中真理的极致。然而,追求真理的路途是坎坷及艰辛的,这又让科学家们深深觉得上帝的不可捉摸,而深受挫折。爱因斯坦(Albert Einstein)大概是最有名以上帝之名,发表评论的科学家。他以「上帝不会掷骰子」,表达对于量子力学哥本哈根学派所主张机率性假说的不认同。「我打赌上帝不会是个左撇子」,出此言的是知名物理学家Wolfgang Pauli,他以提出量子力学中「不兼容原理」(exclusive principle),而获颁诺贝尔奖。这时间点发生在华人物理学家吴健雄女士,准备以Beta衰变实验,验证也是华人物理学家杨振宁、李政道在1956年所提出的宇称(parity)不守恒定律。宇称的意义在于,物质的世界中,经过所谓镜面反射,其所遵循的物理定律是一样的,也就是物理定律存在着空间上的对称性。杨李2位先生的理论说明在弱作用中,也就是粒子的衰变过程中,可以不遵守此守恒定律。吴健雄女士以钴60的衰变实验,证实只有左旋的粒子,参与此衰变反应,也证明此不守恒定律的确存在,也就是Pauli赌输了。可惜的是,当时有好几个实验小组同时间进行此实验,否则吴女士就有机会与杨李共同获得1957年诺贝尔奖。说到上帝,最令人乐道的莫过于俗称「上帝的粒子」的希格斯(Higgs)粒子。在1960年代,任教于英国爱丁堡大学的Peter Higgs,在研究基本粒子的标准模型时,提出一个机制可以赋予基本粒子的质量;后人就以希格斯场(Higgs Field)称之,而这个场的量子化所衍生的就是希格斯粒子。从80年代开始,实验物理学家纷纷提出建造更高能量的粒子加速器,找寻希格斯粒子。然而事与愿违,寻找希格斯粒子的路途是一波三折,包括加速器的建造。因此实验物理学家Leo Lederman,也是1988年诺贝尔物理奖的得主,写了本科普书,而书名是Goddamn Particle「被上帝诅咒的粒子」,用以说明寻找希格斯粒子的挫折及挑战。然而出版商觉得此名不妥,书名也随后更改为「上帝的粒子」。事实上物质无所不在,而构成粒子质量的希格斯场及粒子,也就无所不在,所以被称为上帝的粒子也不为过。到底,上帝的粒子是如何被诅咒的?首先在美国雷根政府(Presidency of Ronald Reagan)时代,通过超导磁铁超级对撞机(Superconductor Super-collider;SSC),利用质子对撞产生的巨大能量,寻找希格斯粒子踪迹。这个计划始于1987年,在美国德州70米的地下,开挖圆周长87公里的通道,预期经费是110亿美元。很不幸到了柯林顿政府(Presidency of Bill Clinton)时期,国会否决继续开发此案所需的经费,而将资金挪到建造国际太空站。至今在德州的草原下,仍留下长度超过22公里的地下隧道。欧洲核子研究组织(CERN)在1989年就已经运作大型电子及正子(Large Electron and Positron;LEP)对撞机,正子就是电子的反粒子。这是个横跨法国及瑞士边界,地底下175米,圆周长27公里的庞然大物。LEP在初期并不是为发现希格斯粒子所设计,在其所规划的实验中,均获得不错的结果。实验物理学家则尝试增加对撞电子及正子的能量,企图一举找到上帝的粒子。就在LEP几乎达到该粒子的理论能量值时,发现几个惊鸿一瞥的零星个案,但却不具有完整的说服力,一步之遥令科学家们扼腕不已。CERN痛定思痛,在2000年时决心拆除LEP,在原址改建为大型强子对撞机(Large Hardon Collider;LHC),这次是针对寻找希格斯粒子而设计,改采质子对撞。这一改就是10年光阴,以及80亿美元的经费。最后终于在2012年7月,经过2组独立的团队,分析相关的数据,分别得到足以采信证据,宣布找到希格斯粒子。历经超过50年努力,无数人力及资金的投入,这大概是有史以来最为浩大的科学实验。诺贝尔委员会也随即将2013年的诺贝尔物理奖,颁给理论提出者Higgs及Francois Englert等2位教授。当时希格斯教授已经84岁了。爱因斯坦曾说「上帝难以捉摸,但并不心怀恶意」(Subtle is the Lord, but malicious He is not),这说明人类在追求真理的道路上,还有很长的路要走。爱因斯坦晚年任职于普林斯顿高等研究院,周末时间仍到研究室工作,同仁见到他劝说不必如此地辛劳,爱因斯坦的回答是「上帝礼拜天也没有休息」。
2023/3/16
ChatGPT预示人工智能挑战量子运算可能性
去年(2022年)底科技界最火红的话题,莫过于OpenAI所推出的ChatGPT,这是个可以透过文字或对话,与人类直接互动的人工智能产物。由于我们是无法有效地分辨出所互动的对像是人或机器,达到所谓图灵验证(Turing test)的终极要求。GPT(generative pre-trained transformer)是所谓的生成型人工智能(AI),只要有主题句或初始对话,这已被训练好的生成型人工智能,即可写出一篇文字流畅且具思想的文章,或者与我们侃侃而谈。人工智能的发展及演进已经历好几个时代,早已跳脱利用海量信息,将人类过往的知识及经验,蛛丝马迹般地寻找出最适切的解决方案,取而代之的是机器自己的学习,并创造出人类没有尝试过的解决方案。生成型人工智能就是近来备受关注的,其所使用的是自我回归(auto-regressive)演算法。程序设计师需要将所欲解决问题的基本规则输入,包括相关的参数,并设定好最终的目标值。接着电脑就开始不间断地自我学习(预测)以及检验,找出各参数在这个当下时间节点的输出预测值,并与上一个时间节点的输入参数做比较(检验),如果两者间有其相关性,则对于下一个时间节点的预测就更有把握及准确。一旦达到所设定的目标值,这个人工智能的自我训练就大功告成。DeepMind在几年前所推出的AlphaZero,在经过4小时的自我学习训练,随即打败所有下西洋棋的电脑程序。自我回归演算法,在各参数不断地预测及检验的循环下,需仰赖庞大的计算能力。所幸先进的半导体技术,已提供所需的运算平台。以使用4纳米技术所制作的最先进高速运算芯片为例,其芯片已内含超过1,000亿个晶体管。不久前超微(AMD)在CES 2023会场上,所发表新一代的运算架构,9颗小芯片(chiplet)的堆叠,使晶体管数目更超过1,400亿颗。其实说穿了,生成型人工智能与量子运算是殊途同归,两者解决问题所采取的步骤都是类神经网络的架构,在不断地预测与优化间,找到最适切的解答。不同的是,量子运算乃自然界微观世界所提供的量子叠加(superposition)与纠缠(entanglement);人工智能是人为演算法及半导体算力。自然界产物比较难以捉摸,人为的世界比较可以预测。量子运算的硬件架构经过多年的发展,依然很难决定要往哪一个方向前进,这其中制作量子位元(qubit)相关的技术就包括超导体、离子阱(ion trap)、光子或者电子自旋(spin)。在资源无法集中的情况下,势必会影响到量子运算达到实际应用的时程表。甚至有专家开始提出,结合超级电脑人工智能运算的能力,以及量子运算的独特性,相辅相成共同完成艰钜问题的解决能力。换言之,当量子运算还不清楚该如何跨出下一步时,生成型人工智能在演算法不断地精进,及更庞大运算能力的硬件支持下,已逐渐挑战到未来量子电脑所擅长的领域。科技的发展很难用以始为终的逻辑来判断,需要密切关注发展中的每一个环节,并时时做修正。以TFT-LCD显示器为例,OLED的确有非常好的条件取代TFT-LCD,但是整体发展下来,OLED也仅能在中小尺寸的显示器有所着墨。反而TFT-LCD采用OLED作为背光源,更壮大TFT-LCD在产业的声势。个人浅见认为,量子运算有可能走入OLED的命运,甚至更惨。2022年诺贝尔物理奖颁给在量子信息领域有杰出贡献的3位学者,一时间有不少的报导认为量子运算已备受肯定,未来商品化的价值指日可待。事实上诺贝尔委员会所表彰的是这三位学者,以实验证明贝尔不等式(Bell inequalities)的不存在,也间接地指出爱因斯坦狭义相对论的不完备。这全然是根源于基础物理的实证,与未来的应用没有关联。诺贝尔委员会曾颁过2次物理奖给量子霍尔效应(quantum Hall effect)相关研究,原先也被认为未来会有应用及商品化的价值,但后来都没发生。台湾投入不少资源在量子运算的发展上,但如果以未来应用的可行性来审视,人工智能的发展更应该要有积极的规划。
2023/2/6
世足赛的科技足球
4年一次的第22届世界盃足球赛(下称世足赛),于2022年底在卡塔尔风光落幕,阿根廷在足球巨星Lionel Messi的带领下,夺得阿根廷队史第三座世足赛冠军,仅次于巴西的5座,以及德国及意大利的4座。此次世足赛除了入围的32支队伍的精彩演出外,另一个吸睛的焦点是那颗科技感十足的足球。媒体也大幅地报导在比赛前那颗足球要先充饱电,才能上场。举凡比赛时,该足球在场内运动的3维轨迹,如座标、速度、角速度及加速度等都会被完整记录,而且是实时将数据传送到数据库及信号处理器上。在葡萄牙对战乌拉圭的那场球,葡萄牙大将Cristiano Ronaldo将队友传球,用头锤应声入网。大家都以为是Ronaldo建功,但事后分析数据显示球只些许碰触到Ronaldo的头发,该进球最后是判给其队友。如果读者还有印象,在1986年阿根廷夺冠的世足赛,八强赛中阿根廷对上英格兰,Diego Maradona用头锤进了关键一球,以2:1气走英格兰。事隔多年后,Maradona承认当时是用左手拨进那颗球,并被称之为上帝之手(The hand of God)。如果那时就有如此先进的足球,很容易就能够真相大白了。这颗足球是如何做到有如此的神奇功能?原来足球内含了一个惯性量测单元(inertial measurement unit;IMU),以及超宽频无线传输系统(ultra wide band;UWB),加起来重量不到15克。IMU是由三轴陀螺仪及三轴加速器所组成,使用矽基板的微机电技术(MEMS)所制作。矽基板除了是集成电路制作上最关键的材料外,矽原子间是以共价键作为键结,本身也具有非常优异的机械特性。试想一个12寸的晶圆,直径的长度是30厘米,而厚度却不到0.1厘米,在此长度与厚度比值超过300的基板上,头尾的平整度却能够维持在1个原子差距内,可见其机械强度的优越性。因此在1980年代,学术机构开始利用矽基板及半导体的微影制程,制作出各式微机械元件,如微小型的齿轮、轴承,滑杆等。再加上使用的是矽基板,很自然地可以将相关的信息以电信号传送出来,所以统称为微机电。由于是将力学信息转换为电信号,因此也被称为传感器(sensor)或传感器(transducer)。IMU的制作是利用半导体的制程,在矽基板表面先制作出一个感应膜(membrane),其下方是被掏空的,而感应膜是以精巧的悬臂与矽基板相连接。传感膜的设计,可以用来侦测不同方向的直线加速或旋转的力量,藉由感应膜的位移、偏移或转动,随之改变传感器的电阻值或电容值,间接地也得知受力的方向及强度。由于是微小化的传感器,所以才能放置在足球内。UWB与其他无线通讯系统最大的差异,在于其使用的是脉冲式无线电波,就如同雷达般,除了可传输数据外,更能够精准地量测物件的位置,再加上低功耗特性,近来开始使用在传感网络(sensing network)、物联网(IoT)应用。如果在足球场的周围架上十几个UWB的相位天线,一来可以接收由足球所传来关于球运动轨迹的信息,另一方面也可以实时精准定位足球;甚至球队在训练时,让每一位球员都戴上UWB发射器,教练就可以完全掌握住每位球员的跑位,以及足球运动方位的信息。除了IMU及UWB外,此次世足赛也采用表面有微凹结构的足球,如同高尔夫球的表面一样。由于球在运动时,球的后方会产生一个气压较低的区域,形成扰流(turbulence),增加足球阻力,也增加运动的不稳定性。这些表面的微凹结构,能够有效减少此后方低气压的区域,增加球速及稳定性,同时也增加守门员的挑战,不过这些都是球迷所乐见的。足球是世界上运动人口及球迷最多的运动,也是资源投入最多及市场规模最大的运动项目。现代的科技无所不在,运动市场是科技业很好的合作平台,不仅拥有庞大商机,同时也造福广大球迷。 
2023/2/2
破解半导体「去台化」困局
美国一家颇具规模,使用成熟制程的IC设计公司,不久前将原本在国内生产的芯片,转移到台湾及韩国的晶圆代工厂;但是转移到台厂,并非是在台湾的工厂生产,而是转移到台厂位于新加坡的晶圆厂。
2022/12/6
与诺贝尔奖擦身而过的Nick Holonyak
任教于美国伊利诺伊大学香槟(Champion)校区电机系的Nick Holonyak Jr.教授,于2022年9月过世,享寿93岁。Holonyak在半导体光电领域,有着超过半个世纪的杰出贡献。在LED以及雷射二极管的原创上,更两度与诺贝尔物理奖插身而过。
2022/11/25
国家安全与科技霸权 中美对抗已难避免
国家安全近来在科技强权国家,是一个不可被侵犯的领域,在态势上也逐渐走上同仇敌忾的群体行为。
2022/10/28
冲击日本企业伦理的2件诉讼案
长期以来,日本企业对待其员工以终身聘雇为职志,在此前提下也要求员工对公司永远的忠诚。
2022/10/19
一个大胆的国安建议:让国际心「矽」台湾
从8月初开始,共军在台湾周遭进行密集的军演以及飞弹试射,近期更以无人飞行器侵入我国外岛的领空,中共驻外使节更扬言要再教育台湾人民。这一切不论是军演、跨越台海中线、军机及舰艇绕台,未来都会趋向常态化。外国媒体也不断地报导,最快2027年,最慢2049年,中共一定会对台湾进行武力的恫吓,既使我们一直以来的诉求,都在维持台海的和平与稳定。中共的武力侵台,绝对不是空穴来风,那接下来,我们该如何因应?
2022/9/14
半导体产业的逆思维
新发表的《逆思维》(Think Again)一书,是由美国华顿商学院教授Adam Grant所着。内容叙述人们在重大压力下,通常会不自觉地回到他们所熟悉的方式回应。而大多数人会忠于自己的信念及看法,并为此感到骄傲。
2022/8/10
救急英特尔、助力苹果 以色列何以成为科技大国?
最近一项全球科技实力分析的报导显示,以色列的科技实力是仅次于美国、英国、日本、德国,居于全球排名第五,其科技实力甚至高于法国、瑞典、加拿大等传统的科技大国。一个人口950万,没有天然资源的国家是如何做到的?
2022/7/12