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電腦病毒首度公開亮相|科學史上的今天:11/10

張瑞棋_96
・2015/11/10 ・1025字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

1983年的今天,賓州理海大學(Lehigh University)的電腦安全研討會上,剛從南加大拿到博士學位的柯恩(Fred Cohen, 1956- )向台下聽眾展示手上的磁碟片。他向大家解釋裏頭有自己所寫的一段小程式,它隱藏在一支合法的Unix程式之中。接著他將磁碟片插入台上的迪吉多電腦主機VAX-11/750,五分鐘之內即取得系統的控制權。

若不考慮危害性,湯瑪斯所設計的程式「偷窺者」可能為第一支可自我複製並散佈的電腦病毒。圖片來源:tumblr

柯恩告訴大家這種小程式叫「電腦病毒」,因為它可以感染電腦,複製自己,並且散佈到其它電腦。柯恩又做了四次試驗,證明電腦病毒可以繞過當時的各種安全機制,平均不到半小時就成功取得控制權。

這是人們第一次目睹電腦病毒的強大威力與潛在威脅,電腦病毒這個名詞也自此成為此類程式的統稱。事實上,柯恩在幾個月前的博士論文就描述了這一切,正是他的指導教授阿德曼(Leonard M. Adleman, RSA加密法的三位發明人之一)建議他使用病毒這個詞。

不過若不考慮危害性,更早之前就有自我複製並散佈到其它電腦的實例了。1971年,參與建置ARPANET(internet的前身)的BBN技術公司為了測試,由程式設計師湯瑪斯(Bob Thomas)寫了支程式,感染網路上的迪吉多PDP-10電腦,在螢幕上顯示「我是偷窺者,有本事來抓我!」(I’m the creeper, catch me if you can!)。

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之後再由另一位程式設計師湯姆林森(Raymond Tomlinson)放了另一隻叫「收割者」(Reaper)的類似病毒,但它的作用是找到「偷窺者」病毒,將它刪除;因此「收割者」算是第一個解毒程式。順帶一提,正是湯姆林森制定電子郵件在網路上的傳送方式,「個人帳號@電腦主機」就是由他制定的。

以個人電腦而言,最早的病毒出現在1982年,一位15歲的高中生Rich Skrenta寫了個名叫「麋鹿複製者」(Elk Cloner)的程式,隱身在遊戲程式中,只要曾用這張磁碟片開機,病毒就會常駐在電腦的記憶體中,繼續感染之後插到這台電腦的磁碟片,因此散佈到周遭朋友的Apple II個人電腦。與「偷窺者」一樣,「麋鹿複製者」只會跑出一段打油詩,沒有其他危害。

隨著電腦數量不斷成長,電腦病毒也越來越猖獗,危險性也越來越高。而且正如柯恩當年預言的,並沒有方法可以完全阻擋病毒;在現今網路盛行的時代,更是防不勝防,或許你我的電腦中早已潛伏著電腦病毒,只是我們一直沒有察覺哪!

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1030 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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網際網路的誕生!|科學史上的今天:10/29
張瑞棋_96
・2015/10/29 ・978字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

在現代社會,網路已經跟電力、自來水一樣成為不可或缺的生活必需品。不過,連上網路雖然也跟打開電燈開關與水龍頭一樣方便,但網路的資料傳送方式可不像電流或水流那樣;它之所以能無遠弗屆,全賴當初就讀麻省理工學院計算機科學博士班的克連洛克(Leonard Kleinrock, 1934- )所提出的革命性概念。

ARPANET操作畫面。圖片來源:Jackpukk@wikipedia

事實上,網路遠比個人電腦還早出現。早在1950年代末期,大型電腦主機就開始透過電話線彼此傳送資料,但這種方式每次只能跟一台電腦相連,而且就占掉骨幹中的一條線路,影響整體的使用效率;這就像高速公路的車道都畫了雙黃線,而且一旦有台車開進來,這個車道就不准再有別人使用。

克連洛克於1962年的博士論文中提出封包(packet)的網路架構與數學理論。基本上就是將資料切割成一個個小小的封包,每個封包上都有目的地地址;然後用分封交換機取代傳統的電話交換機,並且將高速公路的雙黃線取消。分封交換機會根據封包上的地址與車流量,將封包打散到各個車道,封包可以中途變換車道,甚至改走另一條公路;同屬一個檔案的眾多封包就這麼殊途而同歸,抵達目的地。

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分封交換機除了讓網路效率更高、可以多台電腦連線,網路還更堅固安全。因為傳統電話交換機只要作為樞紐那幾台壞掉,所有電腦就可能無法彼此連線,而分封交換機卻是分散式的,封包可以到處四竄,幾個節點損毀也無礙。因此,當國防部「先進研究計畫署」(ARPA)希望打造一個不會因為蘇聯攻擊就癱瘓的網路時,自然採用克連洛克的倡議。

也因此,這個名為ARPANET的網路最先連結的兩個點就是克連洛克任教的加州大學洛杉磯分校,與「滑鼠之父」英格巴特(Douglas C. Engelbart)所在的史丹佛研究中心。1969年10月29日晚上10點30分,在克連洛克的注視下,他的學生克萊恩(Charley Kline)慎重地按下要送出的訊息:”login”,不料只按了頭兩個字母就當機,一個小時後才又修好。因此”lo”就成為ARPANET傳送的第一個訊息。

ARPANET連結美國國內越來越多單位的電腦;1975年,經由史丹佛連結英國的網路,名符其實地成為internet;而今internet已經盤根錯節,無所不在了。ARPANET於1990功成身退,但若溯流求源,1969年的今天,應該算是internet誕生之日吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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提早三十年預見電腦功能的人──英格巴特誕辰|科學史上的今天:1/30
張瑞棋_96
・2015/01/30 ・1117字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

身材修長的英格巴特一路走到舞台上的電腦桌前坐下;其實桌上只有電腦顯示器、鍵盤、滑鼠與 keyset,電腦遠在五十公里外的史丹佛研究中心。顯示器亮了起來,舞台上的大銀幕同步秀出畫面,上面分割出左右兩個視窗,左側是一份空白文件,右側則是遠方同事的即時影像。

道格拉斯.英格巴特。圖/Alex Handy@wikimedialicense

英格巴特先示範了文件的輸入、編輯與存取,然後讓遠方的同事一起參與編輯。接著他打開一份老婆交代的購物清單,先讓上面的物品自動依名稱重新排列,接著銀幕出現一張地圖,上頭已標示出購買物品的商店與路線圖。他點選了圖書館,馬上出現一份書單。之後英格巴特仔細講解整個系統架構,包括硬體、軟體與網路,以及未來建構 ARPANET(internet 前身)的計劃,全場觀眾早已為之目眩神迷,演示結束後,會場爆出如雷掌聲,久久不息。

我們現在會覺得這些演示一點也不稀奇,但這可是 1968 年,將近半世紀之前!那是用打孔紙片輸入電腦指令、電腦螢幕只能顯示單色字元、既無滑鼠更無網際網路的個人電腦史前時代,而英格巴特就展示了網路連線、圖形介面、多重視窗、視訊會議、文書處理、協同作業與超文本的整合系統。難怪當場的所有觀眾會被徹底征服,因為這根本是未來世界或是科幻小說才會有的場景啊!1968 年 12 月 9 日的這場演示也因此被稱為「所有演示之母」 (Mother of All Demos) ;賈伯斯日後膾炙人口的演示正是發端於此。

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賈伯斯所受的影響不只於此。當時印表機的龍頭全錄 (Xerox) 公司深恐英格巴特的技術普及後,將造成辦公室的無紙化時代來臨,動搖本業,於是在 1970 年成立帕羅奧多研究中心 (PARC) 負責先進技術的研究。恰巧英格巴特的研究預算遭到刪減,旗下的小組成員將技術一起帶進 PARC,於是才有後來的賈伯斯前來參觀,大受震撼而將滑鼠與圖形介面引進蘋果電腦,從此改變了個人電腦的面貌。

是的,天才即是見人所不能見,而先知總是看得太遠,兼具兩者的英格巴特超越時代太多,他所展示勾勒的電腦與網路如何融入工作與生活之中,必須再過二、三十年,當技術、成本、網路等等各項條件都成熟了,才得以一一實現。但他的名字已被埋沒太久,至今英格巴特在人們的心目中仍未得到應有的地位與榮譽。如今人們會以「滑鼠之父」稱呼他,但他的影響與貢獻豈僅止於滑鼠?!正如蘋果電腦的共同創辦人沃茲尼克對他的悼念:「我們現在在電腦上所有的一切都可以追溯到他的發想。對我而言,他就是個神。」

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

 

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