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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。
科學家的上帝情結
科學家們追求真理是亙久不變的道理,因此主宰整個宇宙的上帝,便成為他們心目中真理的極致。然而,追求真理的路途是坎坷及艱辛的,這又讓科學家們深深覺得上帝的不可捉摸,而深受挫折。愛因斯坦(Albert Einstein)大概是最有名以上帝之名,發表評論的科學家。他以「上帝不會擲骰子」,表達對於量子力學哥本哈根學派所主張機率性假說的不認同。「我打賭上帝不會是個左撇子」,出此言的是知名物理學家Wolfgang Pauli,他以提出量子力學中「不相容原理」(exclusive principle),而獲頒諾貝爾獎。這時間點發生在華人物理學家吳健雄女士,準備以Beta衰變實驗,驗證也是華人物理學家楊振寧、李政道在1956年所提出的宇稱(parity)不守恆定律。宇稱的意義在於,物質的世界中,經過所謂鏡面反射,其所遵循的物理定律是一樣的,也就是物理定律存在著空間上的對稱性。楊李2位先生的理論說明在弱作用中,也就是粒子的衰變過程中,可以不遵守此守恆定律。吳健雄女士以鈷60的衰變實驗,證實只有左旋的粒子,參與此衰變反應,也證明此不守恆定律的確存在,也就是Pauli賭輸了。可惜的是,當時有好幾個實驗小組同時間進行此實驗,否則吳女士就有機會與楊李共同獲得1957年諾貝爾獎。說到上帝,最令人樂道的莫過於俗稱「上帝的粒子」的希格斯(Higgs)粒子。在1960年代,任教於英國愛丁堡大學的Peter Higgs,在研究基本粒子的標準模型時,提出一個機制可以賦予基本粒子的質量;後人就以希格斯場(Higgs Field)稱之,而這個場的量子化所衍生的就是希格斯粒子。從80年代開始,實驗物理學家紛紛提出建造更高能量的粒子加速器,找尋希格斯粒子。然而事與願違,尋找希格斯粒子的路途是一波三折,包括加速器的建造。因此實驗物理學家Leo Lederman,也是1988年諾貝爾物理獎的得主,寫了本科普書,而書名是Goddamn Particle「被上帝詛咒的粒子」,用以說明尋找希格斯粒子的挫折及挑戰。然而出版商覺得此名不妥,書名也隨後更改為「上帝的粒子」。事實上物質無所不在,而構成粒子質量的希格斯場及粒子,也就無所不在,所以被稱為上帝的粒子也不為過。到底,上帝的粒子是如何被詛咒的?首先在美國雷根政府(Presidency of Ronald Reagan)時代,通過超導磁鐵超級對撞機(Superconductor Super-collider;SSC),利用質子對撞產生的巨大能量,尋找希格斯粒子蹤跡。這個計畫始於1987年,在美國德州70公尺的地下,開挖圓周長87公里的通道,預期經費是110億美元。很不幸到了柯林頓政府(Presidency of Bill Clinton)時期,國會否決繼續開發此案所需的經費,而將資金挪到建造國際太空站。至今在德州的草原下,仍留下長度超過22公里的地下隧道。歐洲核子研究組織(CERN)在1989年就已經運作大型電子及正子(Large Electron and Positron;LEP)對撞機,正子就是電子的反粒子。這是個橫跨法國及瑞士邊界,地底下175公尺,圓周長27公里的龐然大物。LEP在初期並不是為發現希格斯粒子所設計,在其所規劃的實驗中,均獲得不錯的結果。實驗物理學家則嘗試增加對撞電子及正子的能量,企圖一舉找到上帝的粒子。就在LEP幾乎達到該粒子的理論能量值時,發現幾個驚鴻一瞥的零星個案,但卻不具有完整的說服力,一步之遙令科學家們扼腕不已。CERN痛定思痛,在2000年時決心拆除LEP,在原址改建為大型強子對撞機(Large Hardon Collider;LHC),這次是針對尋找希格斯粒子而設計,改採質子對撞。這一改就是10年光陰,以及80億美元的經費。最後終於在2012年7月,經過2組獨立的團隊,分析相關的數據,分別得到足以採信證據,宣布找到希格斯粒子。歷經超過50年努力,無數人力及資金的投入,這大概是有史以來最為浩大的科學實驗。諾貝爾委員會也隨即將2013年的諾貝爾物理獎,頒給理論提出者Higgs及Francois Englert等2位教授。當時希格斯教授已經84歲了。愛因斯坦曾說「上帝難以捉摸,但並不心懷惡意」(Subtle is the Lord, but malicious He is not),這說明人類在追求真理的道路上,還有很長的路要走。愛因斯坦晚年任職於普林斯頓高等研究院,周末時間仍到研究室工作,同仁見到他勸說不必如此地辛勞,愛因斯坦的回答是「上帝禮拜天也沒有休息」。
2023/3/16
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。
2023/2/6
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。 
2023/2/2
破解半導體「去台化」困局
美國一家頗具規模,使用成熟製程的IC設計公司,不久前將原本在中國生產的晶片,轉移到台灣及南韓的晶圓代工廠;但是轉移到台廠,並非是在台灣的工廠生產,而是轉移到台廠位於新加坡的晶圓廠。
2022/12/6
與諾貝爾獎擦身而過的Nick Holonyak
任教於美國伊利諾大學香檳(Champion)校區電機系的Nick Holonyak Jr.教授,於2022年9月過世,享壽93歲。Holonyak在半導體光電領域,有著超過半個世紀的傑出貢獻。在LED以及雷射二極體的原創上,更兩度與諾貝爾物理獎插身而過。
2022/11/25
國家安全與科技霸權 中美對抗已難避免
國家安全近來在科技強權國家,是一個不可被侵犯的領域,在態勢上也逐漸走上同仇敵愾的群體行為。
2022/10/28
衝擊日本企業倫理的2件訴訟案
長期以來,日本企業對待其員工以終身聘僱為職志,在此前提下也要求員工對公司永遠的忠誠。
2022/10/19
一個大膽的國安建議:讓國際心「矽」台灣
從8月初開始,共軍在台灣周遭進行密集的軍演以及飛彈試射,近期更以無人飛行器侵入我國外島的領空,中共駐外使節更揚言要再教育台灣人民。這一切不論是軍演、跨越台海中線、軍機及艦艇繞台,未來都會趨向常態化。外國媒體也不斷地報導,最快2027年,最慢2049年,中共一定會對台灣進行武力的恫嚇,既使我們一直以來的訴求,都在維持台海的和平與穩定。中共的武力侵台,絕對不是空穴來風,那接下來,我們該如何因應?
2022/9/14
半導體產業的逆思維
新發表的《逆思維》(Think Again)一書,是由美國華頓商學院教授Adam Grant所著。內容敘述人們在重大壓力下,通常會不自覺地回到他們所熟悉的方式回應。而大多數人會忠於自己的信念及看法,並為此感到驕傲。
2022/8/10
救急英特爾、助力蘋果 以色列何以成為科技大國?
最近一項全球科技實力分析的報導顯示,以色列的科技實力是僅次於美國、英國、日本、德國,居於全球排名第五,其科技實力甚至高於法國、瑞典、加拿大等傳統的科技大國。一個人口950萬,沒有天然資源的國家是如何做到的?
2022/7/12