DIGITIMES
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。
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時代,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。接著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臺。以使用4納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1,000亿个晶體管。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,使晶體管数目更超过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網絡的架构,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巨问题的解决能力。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也仅能在中小尺吋的显示器有所著墨。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。臺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。
2023-02-06
世足赛的科技足球
4年一次的第22届世界杯足球赛(下称世足赛),于2022年底在卡塔爾风光落幕,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,而且是實時将數據传送到數據库及信號处理器上。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。矽基板除了是集成電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吋的晶圆,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號传送出来,所以统称为微机电。由于是将力学信息转换为电信號,因此也被称为傳感器(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。傳感膜的设计,可以用来侦测不同方向的直线加速或旋转的力量,借由感应膜的位移、偏移或转动,随之改变傳感器的电阻值或电容值,间接地也得知受力的方向及强度。由于是微小化的傳感器,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,近来开始使用在傳感網絡(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,另一方面也可以實時精准定位足球;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臺,不仅拥有庞大商机,同时也造福广大球迷。
2023-02-02
智能应用 影音