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「數位即真實」的未來樣貌
科技何處去?

【作者: 歐敏銓】   2004年01月15日 星期四

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又是一個新年度的開始,回顧過去數年,資訊科技產業可以說是乘坐雲霄飛車一衝到了最高點,但又迅速地落到谷底,大家在極度的刺激中深刻體會到Internet這項突破性科技的興起,對社會想像與產業投資的巨大衝擊。


如今,整體的經濟景況似乎已回穩,一般皆相信今、明兩年可以見到穩定的成長,而成長的推動力仍然來自網路的餘波,也就是更多的服務與產品因網路而出現,並會持續刺激全球市場的需求。


目前可以感受到的明顯商機不外乎無線與多媒體市場,其代表性的熱門產品則是手機、WLAN、數位相機(DSC)、數位攝影機(DV)、遊戲機及LCD TV等等,以及因應而生的眾多應用軟體。然而,這些產品大多推出已久,其應用模式也已被廣泛討論過,目前只是在功能上升級或因價格下滑而更普及罷了,新意其實不高。


這或許和「網路泡沫化」時受到的驚嚇有關,大家都趨於保守,只想專心做好眼前吃得到的市場。這種務實的態度沒有錯,但卻不能讓眼光也變得狹礙了,畢竟科技發展的可能性還很大,網路的應用更只處於牙牙學步的階段,未來很可能還會再爆發好幾波的產業高潮呢。因此,要在這個時代站穩腳步,除了務實,還得前瞻。


「前瞻」,正是台灣科技業的一個痛,也是一個轉捩性的契機。在長期的代工定位下,台灣業界被譏為全球科技鏈中的黑手,毫無個性與創意;但在紮實的加工底子下,也歷練出一身的好本事,所缺的品牌行銷與技術研發實力,也在一步步的提升當中,如今,只要能將眼光再放遠,加強與加速與先進國家發展腳步的接軌,站在亞太最核心的台灣,不愁沒有發揮的機會。


今日的位置

在進入「前瞻未來」的主題前,且先來看看我們今日所處的位置。


從電晶體的發明、電腦的興起到今日網路的普及,毫無疑問地我們正快速的邁向一個數位化的資訊社會。這個社會的一大特色就是「一代新品換舊品」:每隔數月就有另一波的所謂高檔貨出現,但隔不久再回頭看,它已成為不值錢的過氣產品了。這種產業特性也促成了電子產品的平民化,十年前還很罕見的PC、手機或網路,對現在人來?已像擁有手錶、眼鏡一樣再平常不過了。


從應用面來看,在電信傳播上,無線通訊的技術發展為大勢所趨,新興的技術接踵而來,其中又以延伸WLAN而來的IEEE 802.16及802.20開放性廣域無線標準最值得關注,它將挑戰既有的電信標準(如3G)。在網路應用上,頻寬的提升也讓更多樣的服務不斷出現,其中又以影音多媒體的應用最為重要,各國無不積極推動數位內容產業(如學習、遊戲、視聽娛樂等等);當各行各業與網路愈來愈不可分時,資訊系統已成了企業營運不可或缺的基礎平台,而更有彈性的網路服務(Web Service)架構也在如火如荼的推展中,Java陣營的J2EE與微軟的.NET便是軟體業界的兩大應用伺服平台標準;在此同時,資訊安全與數位內容的管理也成為不容忽視的棘手問題。


在產品技術面上,伺服器因處理資料不斷成長,除了採用更高效率的處理器外,目前也朝分散式運算的方向尋求運算資源,因此叢集(Cluster)與網格(Grid)運算的重要性日增;與分散運算同時並進的則是P2P(Peer to Peer)的對等傳輸應用模式,目前在影音檔案分享上已對媒體業造成極大的衝擊,未來的應用潛力十分值得關注;最炫麗的焦點則是終端產品,眾多3C產品不但功能互相整合,服務內容更是推陳出新,可以確定的發展方向包括:「無所不在的行動性」與「更具人性化的智慧性」等。


至於今(2004)年最值得關注的科技是那些呢?CNN提出了UWB、RFID等十項技術,請參考表一所列。


表一 2004年最值得關注的十大科技
科技名稱 理由
家庭網路(Home Networking)
UWB(Ultra-wideband) 這是一個突破性的無線網路技術,資料傳輸速率高達110Mbps至480Mbps,可將今日的WiFi傳輸大幅提升。 在此傳輸速率下,未來的數位家庭視聽節目皆可無線化,甚至可能淘汰有線連線技術。
供應鏈(Supply Chain)
射頻辨識/電子感應卡(RFID) 雖然RFID標籤(tag)已被討論多時,但被落實用在產業供應鏈上還是最近的事,以美國最大的零售業者Wal-Mart為例,該公司要求所有的供應商在2005年前都要開始使用RFID標籤。
無線寬頻網路(Wireless Broadband)
IEEE 802.16 無線寬頻網路標準組織WiMax正在制定這項新的標準,它能以高於現今有線寬頻DSL或Cable的傳輸速率來傳送數據、聲音及影像,傳輸距離更可達30英哩(約48公里)。
能源(Energy)
微燃料電池
(Micro fuel cells)
日本最大的手機供應商NTT DoCoMo計畫在2004年底前推出採用微型燃料電池的手機,這種電池的燃料將採氫氣或甲烷氣,用完後再添加即可繼用。除了手機之外,高檔的筆記型電腦也可望率先採用微型燃料電池。
家用產品(Household Products)
壁虎膠布
(Gecko tape)
這是仿效蜥蝪或壁虎附著牆壁的原理所發明的新產品,也就是在一個小面積中以上百萬的微細毛髮來接觸牆面,讓物體形成不滑落的吸附力。此技術除了可讓人在玻璃牆上攀爬外,也能應用在電子設備中的晶片佈置上頭。
軟體(Software)
反垃圾郵件工具
(Antispam software)
垃圾郵件的花樣不斷翻新,這也造成反制工具需要提出更有效的應對策略。目前常用的方式,不論是過濾器、白名單(whitelists)或黑名單(blacklists),似乎都不能抑制垃圾郵件的成長。一個被期待的技術是“Challenge/response”,也就是要求寄件者得手動證明自己的身份,才被允許投遞此一郵件。
消費性電子(Consumer electronics)
有機發光二極體(OLED) OLED因具有比一般LED更高亮度、更佳解像力,且有更省電的特性,因此可望成為手機、數位相機、數位攝錄影機等設備的螢幕,在技術更成熟及成本更低後,更可望成為平面顯示器的主流技術之一。
光源
高度度LED燈泡 高亮度白光LED是項極受重視的新技術,它能提供比現今白熱燈泡(incandescent bulbs)更持久的使用壽命,但只需要20%的電力,這對於節約能源將有明顯的助益。目前飛利浦已開始推動一系列的LED燈泡了。
電腦記憶體(Computer memory)
磁性記憶體
(MRAM)
新一代的磁性隨機存取記憶體不僅擁有flash的非揮發特性、DRAM的高集積度以及SRAM的高速存取特性,同時MRAM還具有相當高的的讀寫次數壽命,幾乎是兼具現有三大記憶體的優點,所以被稱為下一代的夢幻記憶體。
醫學(Medicine)
生物資訊科技 (Bioinformatics) 資訊科技對於生命科學的研究愈來愈重要,透過高階電腦的運算能力,科學家已能夠更精確的掌握複雜的蛋白質等結構,並經由模擬模型來加速研發出更有效的藥,以解病人之苦。
資料來源:CNN網站

放眼2020

在這樣的基礎下,往前看,是一個什麼樣的世界呢?


在美國與歐洲,已有許多的計畫正在開拓這條前往未來的路。這些琳瑯滿目的計畫多到難以盡數,透過網站資源怎麼看也看不完,但在中文的世界中,這些願景與計畫的探討與介紹卻如?毛麟爪、少得可憐;當別人已經著手擘劃2010年、2020年的科技藍圖時,我們似乎還只在“3G行不行?”這類老問題上轉個不停。


在眾多的發展計畫當中,有兩大計畫相當值得一提,一是在美國這個網路發源地 所進行的「網路再造計畫」 - PlanetLab,其目的是要發展一個更快、更安全、更有智慧的新網路。另一個則是格局更大的未來與新興科技 (Future and Emerging Technologies;FET)計畫,這是歐洲資訊社會科技(Information Society Techonologies;IST)組織中負責推動前瞻性科技的長期性計畫,在它底下所衍生的十數個子計畫,皆在技術可行的前題下,清楚描繪了未來科技與生活的發展樣貌。


網路再造計畫

若從美國國防部主導的ARPANET開始算起,Internet發展至今已有三十年的歷史了。但今日的環境與當初只有數十台主機相連結的時代已大大的不同,如上所述,網路的應用是日新月異,連網的人數與設備更是以級數在爆增。在此情況下,現有的網路架構就顯得捉襟見肘,既無法滿足彈性的應用需求,也無法有效處理駭客、病毒、垃圾郵件等層出不窮的惱人問題。


為解決網路瓶頸、打造一個更理想的網路平台,歷年來不斷有一些大型的網路研究計畫被提出,如1992年的Mbone或1996年的Internet2,而近來最受矚目的計畫,當屬由來自普林斯頓、MIT、柏克萊等五十多所知名大學及組織的近百位電腦科學家共同投入的PlanetLab計畫。


PlanetLab的科學家認為,造成今日網路種種問題的一大徵結在於路由設備太過呆板,因此他們構想要在現有的網路之上再架構一個網路,也就是透過所謂的「智慧型節點」(smart nodes),將網路的處理效能和資料儲存能力大幅的提升。


這個節點裝置能夠直接安裝在既有的路由器上,讓路由器提升成一台多功能的電腦,進而讓管理者能自主地上傳安裝各種應用程式;在多變的網路環境中,此架構提供了網路服務者極便利的路由設定彈性,他們可以依其需求同步設定全球各地的路由節點,並確保與既有的網路節點互相溝通,請參考圖一。


簡單地說,PlanetLab就是要讓網路中的各個節點更聰明;如果把Internet視為一個全球性的電子神經系統,PlanetLab就是要給它一個分散性的大腦智慧。這個計畫在2002年3月一被提出,很快就獲得美國國家科學基金會(National Science Foundation)及Intel、HP及Google等多家科技大廠支持,並在兩年間於13個國家的79個基地間建立175個節點。該計畫預定在2006年前可達成一千個以上的節點連結。


預計在三年內,它將可以為Internet增添不少優勢,更長遠來看則要達成以下目標:


* 讓任何連網的設備不再受到地域的限制,而且可以做到應用程式對應用程式(program for program)及文件對文件(document for document)的智慧型連結與運算。


* 讓Internet具有自我偵測及阻擋可疑資料封包的能力,使網路免於駭客與病毒的攻擊。


* 不管有多少使用者同時要求下載用一內容,新的網路架構都能讓各個用戶立即且順暢地下載高資料量的內容,如影音節目等。


《圖一 PlanetLab網路再造計畫》
《圖一 PlanetLab網路再造計畫》

打造資訊生態體系

以PlanetLab來說,其發展重點仍在於網路架構的革新,然而歐洲的FET第六期計畫(FP6)則將關心的主軸放在更大範圍的資訊社會(Information Society)上頭。為掌握這個大題目,該計畫不僅以各種前瞻技術來貫穿電子零件、電腦系統與網路平台的整體資訊科技領域,更在勾勒未來科技應用的樣貌之餘,指出了「普及資訊生態體系」(Universal Information Ecosystems)的內在特徵,做為指導科技的發展方向。


FET認為,未來的普及資訊生態體系具有五大特微:


1. 開放性與普遍性(Openness and Universality):不論是何種新型態的資訊使用者、各個領域社群或產業活動,或現今各種應用的持續變革,都能夠無縫隙的彼此串連溝通。


2. 可延展性(Scalability):由於資訊生態體系的需求與族群會不斷地改變,因此需要提供彈性、延展性的功能與服務。


3. 及時性與相關性(Timeliness and relevance):在這個生態體系中,每個成員(infohabitant)都能與他所關切的議題或活動有緊密的結合。


4. 適應性(Adaptation):在這個生態體系中,隨時會發生各種變動,例如非中心化的協同創造、排除、改革、遷移、合併和組織調整等行為,系統會經由自律性的內在機制來維持本身的穩定性。


5. 目標與企圖的實現(Realising objectives and intentions):這個生態體系為個人及組織、團體提供了一個理想的發揮環境,大家都可以將其知識、想法或創意投入在此系統中,在彼此的激盪下,以更有效率、更靈活的方式來達成目標。


這樣的一個未來圖像確實讓人心動,但這並非憑空想像而來,FET下的各個計畫皆有紮實的科技基礎,並且互相串連合作,以四年為一期,一步步地把這個世界推向新的未來。


這些計畫光聽名稱就已經相當令人驚歎,除了較為人熟知的全球分散運算(Global computing)外,從物質的微小化控制科學延伸而來的有:橫跨物理、數學、資訊科學與電機工程領域之嶄新研究 - 「量子資訊處理與傳播」(Quantum Information Processing & Communications;QIPC);採用原子或分子層級技術來操控資訊處理與儲存系統,進而突破今日的功能與效能的「奈米資訊設備」(Nanotechnology information devices;NID)。


讓電腦消失的氣氛系統

此外,在科技的應用層面上,FET著重資訊科技與生活的緊密結合,提出了極具想像空間的「氣氛系統」(Ambient System)這個未來藍圖。


這個藍圖可以說是今日資訊科技的延伸,也可以說是巔覆性的架構。它延伸了資訊設備在人們生活中的重要地位,尤其是將智慧型手機的萬用化與行動化做了更大的發揮;但在產品的形式上,此一計畫的訴求是要打破今日具體的資訊產品樣貌與功能定位,它的前導計畫名稱即叫做「消失的電腦」(The Disappearing Computer)。


計畫中指出,資訊系統的目的其實是在解決人們每日的生活需求,而這些需求早已存在於我們每日食衣住行的各種工具當中了。因此,所謂的「電腦」應該融入到日常生活當中,也就是「消失」到書本、筆、椅子等等用品裏頭。


當然,光是在日常用品中加入幾顆IC,意義並不大(就如同資訊家電IA已提倡多時而不見市場接受),此一計畫同時強調用品與用品之間的整體性與關聯性,也就是要讓許多不同的設備能夠自主、自動地一起工作、分享資源,進而真正提升人們生活上的便利性。因此,此計畫立定了三大相關的目標:


1. 為日常用品的嵌入式運算發展新的工具和方法,並創造新的產品;


2. 研究因互動性工具而產生的新功能與新應用可能性;


3. 確認這些人與新環境的經驗在時空上是緊密的,而且是有意義、有趣的。


換個角度來說,在「氣氛系統」或「消失的電腦」計畫背後支撐的,即是「以真實的世界為介面」("the real world being the interface")這個理念;在此觀點下,今日所謂的電子或網路產業及產品可以說只是個過渡階段,未來生活週遭的各種產品中具有電子化與網路化的特性,將是再平常不過的事情,也就是:「電腦即網路」,而「網路即生活」。


無微不至的神經資訊系統

要實現這樣的願景,得從兩大方向來推動:一是對週遭環境的刺激感應(Stimulus),一是感應後該如何反應(Response)。這是從神經及心理科學延伸而來的觀念,也就是讓生活用品也具有如人類五官一般的感知能力,再進一步傳達到電腦(或處理器核心)、甚至是人腦,並立即做出適當的反應與處理。


舉個例子來說,在未來的氣氛系統式住家中,主人從進屋、拖鞋、用餐、衛浴到就寢,門鎖、鞋櫃、燈光、音響、熱水、微波爐都會自動的感應與反應,並從主人的動作中去修正未來的反應,如書房座椅的高度與傾斜角度等等。這整個住家可能就隱含了上百個嵌入式的晶片與感應器,若放大到一棟建築物或一個住宅區、甚至是一個城鎮,所有網路連結到的氣氛系統,豈不就像一個無遠弗屆又無微不至的神經資訊系統!


正是如此,與這個計畫同步進行的,就包括「生活型態感知系統」(Life-like perception systems)與「生活用品的神經資訊科學」(Neuro-Informatics for "living" artefacts),在這兩大計畫之下則延伸了數十項子計畫,包括種種的辨識計畫(如3D物體感應、人工視覺及嗅覺感應等),及分析、模依與創造等人工智慧計畫,詳細的項目請參考表二。


表二 神經資訊科學(Neuroinformatics )專案計畫一覽表
計畫名稱 計畫簡介
神經資訊科學之人工設備發展計畫
AMOUSE 人工滑鼠 (Artificial Mouse)
ARTESIMIT 模仿式人工架構學習系統
INSIGHT 2+ 3D之造型、物體性質及辨識發展計畫
MIRROR 鏡式神經單元(Mirror Neurons)的機器人辨識計畫
POETIC 可重編程的創意性組織(Reconfigurable Poetic Tissue)計畫
SIGNAL 成長性人工製品的系統智慧(Systemic Intelligence)發展計畫
AMOTH 為分散式環境監控而設計的人工嗅覺感應元件
BIBA 使用貝式(Bayesian)或然率分析的人性化製品
ECOVISION 人工視覺系統
HYDRA 為「自我設計產品」提供生活化建構區塊(Living Building blocks)計畫
PALOMA 物件操控的發展與適應學習計畫
MICROCIRCUITS 運算與經驗分析的微電路介面網路
CEREBELLUM 具可塑性的小腦智慧系統(Cerebellar System)
NACHIP 一個神經半導體介面的發展計畫
NEUMIC 神經元與模擬CMOS IC介面計畫
INPRO 自然神經網路的資訊處理計畫
NEUROBIT 人工生物大腦與軀體發展計畫
神經資訊科學的生活感知系統計畫
ALAVLSI 採用神經可變性(neuromorphic)的類比VLSI計畫,以達到自我學習與成長的目的
APEREST 刺激感應之週期性表現(Periodic Representation)計畫
BIOLOCH 人體移動的生物模仿架構(Bio-mimetic Structures)
CAVIAR 即時的迴旋AER視覺架構發展計畫
CICADA 蜘蛛式的感知與自主反應發展計畫
CIRCE 合成生物學(Synthetic Biology)實驗的發展工具
CYBERHAND 人工頭腦與義肢的發展計畫
LOCUST 運用時空影像來避免碰撞的生活中物件偵測技術
MIRRORBOT 鏡像神經式(mirror neuron-based)的機器人發展計畫
ROSANA 神經性活動的刺激表現研究計畫
SENSEMAKER 一個多感官、特定功能、可調適的感知系統計畫
SPIKEFORCE 即時的機器人出錯控制網路
資料來源:http://www.cordis.lu/ist/fet/ni-sy.htm

科技何處去?

電子科技與網路科技的出現,已經為人類的生活開創了全新的風貌,而這個樣貌,看來還只是稚嫩的起步而已,未來,還有很大的可能性,而難以否認的一大趨勢即是:數位與真實將更水乳交融。


然而,要達到這樣的環境並非一蹴可及,更非電子、資訊科技領域閉門造車就能實現的。運算、感應、儲存與網路連結只是資訊生態體系的基本能力,如何正確的反應,才是更關鍵的問題。因此,打破學科的傳統疆界是必要的,只有採取更寬廣的跨領域觀點,儘量多結合不同專業的研究成果,如生命科學、分散系統、軟體工程、運算邏輯、人工智慧與人機互動,乃至於經濟學、組織研究及其他基礎社會科學,才可能打造出一個真正友善的資訊生態體系或氣氛系統。


當然,科技的進展總是讓人雀躍不已,但也往往會帶來負面的影響,如今日網路世界的隱私權侵犯等等問題。在人類科技革命後的三百年歷史中,早已應證了科技的力量愈大(如核彈、生化武器),對人類社會乃至整個地球的威脅也愈大。因此,當我們自豪於對自然奧秘的了解與掌控時,更該虛心的省思這些研究所可能造成的衝擊,以免犯下不可挽救的遺憾。


一個很自然的疑慮即是,當生活中的電腦/晶片已無所不在,甚至嵌入到人體/人腦之中,而電腦的智慧又與日俱增時,人,會不會有一天無法控制電腦呢?這個可能性比起火星有沒有生命應該高出許多,更該多用點心來想想吧。屆時,我們是否會需要尼歐這個“the chosen one"來征救大家呢?


參考資料:

[1] Wade Roush, "The Internet Reborn", Technology Review, http://www.technologyreview.com/articles/roush1003.asp


[2] Future and Emerging Technology, Information Society Technologies, http://www.cordis.lu/ist/fet/int-p.htm


[3] Emerging Technology Center, CIO.com, http://www.cio.com/research/current/index.html


延 伸 閱 讀

The Disappearing Computer II(消失的電腦第二章)
本網頁對於FET「消失的電腦」發展計畫有清楚的介紹,內容涵蓋了發展的背景與觀點、氣氛系統所需要的架構基礎,以及可能面對的挑戰與因應對策。

The Internet Reborn(網路的再生)
這是知名的科技前瞻媒體Technology Review中所發表的一篇專文,對於PlanetLab的發展架構有深入的剖析。
The Sentient Web(意識網路)
本文發表於IEEE旗下的技術專刊 - Internet Computing,文中勾勒出今日的網路如何成為具有意識、感知能力的新一代網路。
相關組織網站
PlanetLab
National Science Foundation(美國國家科學基金會)
IST(資訊社會科技組織)
FET(未來與新興科技計畫 )
Internet2
Mbone
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