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入侵Google,欣賞資料中心的美麗…與哀愁

陸子鈞
・2012/10/18 ・1479字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

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全白背景下,只有簡單的一條搜尋列,這是我們熟悉的google首頁。在這樸素的首頁背後,其實靠著世界上幾處的資料中心在運作。為了安全和商業機密考量,龐大的資料中心是管制重地,一般人難以一窺裡頭的樣貌。

這些精采的影像由google提供,其中一個目的就是為了挽救它被踢爆浪費能源的事實。根據《紐約時報》(The New York Times)的追蹤報導,通常像google這樣的網路公司會讓伺服器全時在最大效能下運作-無論不同時段的使用量大小。以google來說,資料中心吃掉3億瓦的電量(facebook 6千萬瓦),但其中只有6到12%在伺服器的運作上,其餘九成的電用在閒置、用量尖峰才派上用場的機器上。

全世界各家企業所有的資訊中心每年大約共消耗300億瓦的電力,差不多是30座核能發電廠的供電量。據估計,美國本土的資料中心就佔去全世界資料中心耗電的四分之一到三分之一。

除了能源,空氣污染也是一大問題。像是在矽谷,許多資訊中心被州政府列入空氣污染源名單中。亞馬遜(Amazon)在北維吉尼亞(Northern Virginia)的資料中心過去三年間,就有超過24件違反空氣污染管制法規的案件。

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在欣賞這些美麗的同時,別忘了背後浪費能源的哀愁。

▲位於比利時St Ghislain 資料中心水冷系統的水塔。

▲Denise Harwood正在診斷一只過熱的CPU。

▲水冷系統排放出的蒸汽。

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▲夜色下,位於美國奧克拉荷馬州梅斯郡(Mayes County, Oklahoma)的資料中心。

▲網路機房的內部。複雜的線路匯集到天花板上的黃色管線中,這裡的傳輸速度是家用網路的20萬倍快!


▲有發現圖中的自行車-G-Bike嗎?那是資料中心員工在碩大空間中移動的工具。

▲管線的U形突出是為了因應管內液體的熱脹冷縮。

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▲位於芬蘭Hamina的資料中心,前身是一棟廢棄的造紙廠。(這也是一種紙本數位化?)

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參考資料:

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延伸閱讀:

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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量子革命來襲!一分鐘搞定傳統電腦要花數千萬年的難題!你的電腦是否即將被淘汰?
PanSci_96
・2024/10/17 ・2050字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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量子電腦:解碼顛覆未來科技的關鍵

2023 年,Google 發表了一項引人注目的研究成果,顯示人類現有最強大的超級電腦 Frontier 需要花費 47 年才能完成的計算任務,Google 所研發的量子電腦 Sycamore 只需幾秒鐘便能完成。這項消息震驚了科技界,也再次引發了量子電腦的討論。

那麼,量子電腦為什麼如此強大?它能否徹底改變我們對計算技術的認知?

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量子電腦是什麼?

量子電腦是一種基於量子力學運作的新型計算機,它與我們熟悉的傳統電腦截然不同。傳統電腦的運算是建立在「位元」(bits)的基礎上,每個位元可以是 0 或 1,這種二進位制運作方式使得計算過程變得線性且單向。然而,量子電腦使用的是「量子位元」(qubits),其運算邏輯則是基於量子力學中的「疊加」與「糾纏」等現象,這使得量子位元能同時處於 0 和 1 的疊加狀態。

這意味著,量子電腦能夠在同一時間進行多個計算,從而大幅提高運算效率。對於某些非常複雜的問題,例如氣候模型、金融分析,甚至質因數分解,傳統電腦可能需要數千年才能完成的運算任務,量子電腦只需數分鐘甚至更短時間便可完成。

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Google、IBM 和量子競賽

Google 和 IBM 是目前在量子計算領域中競爭最為激烈的兩大科技公司。Google 的 Sycamore 量子電腦已經展示出極高的計算速度,令傳統超級電腦相形見絀。IBM 則持續投入量子電腦的研究,並推出了超過 1000 個量子位元的系統,預計到 2025 年,IBM 的量子電腦將擁有超過 4000 個量子位元。

除此之外,世界各國和企業都爭相投入這場「量子霸權」的競賽,台灣的量子國家隊也不例外,積極尋求量子計算方面的突破。這場量子競賽,將決定未來的計算技術格局。

量子電腦的核心原理

量子電腦之所以能如此快速,是因為它利用了量子力學中的「疊加態」和「糾纏態」。簡單來說,傳統電腦的位元只能是 0 或 1 兩種狀態,而量子位元則可以同時處於 0 和 1 兩種狀態的疊加,這使得量子電腦可以在同一時間內同時進行多次計算。

舉例來說,如果一台電腦需要處理一個要花 330 年才能解決的問題,量子電腦只需 10 分鐘便可解決。如果問題變得更複雜,傳統電腦需要 3300 年才能解決,量子電腦只需再多花一分鐘便能完成。

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此外,量子電腦中使用的量子閘(quantum gates)類似於傳統電腦中的邏輯閘,但它能進行更複雜的運算。量子閘可以改變量子位元的量子態,進而完成計算過程。例如,Hadamard 閘能將量子位元轉變為疊加態,使其進行平行計算。

量子電腦能大幅縮短複雜問題的計算時間,利用量子閘進行平行運算。圖/envato

計算的效率

除了硬體技術的進步,量子電腦的強大運算能力也依賴於量子演算法。當前,最著名的兩種量子演算法分別是 Grover 演算法與 Shor 演算法。

Grover 演算法主要用於搜尋無序資料庫,它能將運算時間從傳統電腦的 N 遞減至 √N,這使得資料搜索的效率大幅提升。舉例來說,傳統電腦需要花費一小時才能完成的搜索,量子電腦只需幾分鐘甚至更短時間便能找到目標資料。

Shor 演算法則專注於質因數分解。這對於現代加密技術至關重要,因為目前網路上使用的 RSA 加密技術正是基於質因數分解的困難性。傳統電腦需要數千萬年才能破解的加密,量子電腦只需幾秒鐘便可破解。這也引發了全球對後量子密碼學(PQC)的研究,因為一旦量子電腦大規模應用,現有的加密系統將面臨極大的威脅。

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量子電腦的挑戰:退相干與材料限制

儘管量子電腦具有顛覆性的運算能力,但其技術發展仍面臨諸多挑戰。量子位元必須保持在「疊加態」才能進行運算,但量子態非常脆弱,容易因環境中的微小干擾而坍縮成 0 或 1,這種現象被稱為「量子退相干」。量子退相干導致量子計算無法穩定進行,因此,如何保持量子位元穩定是量子電腦發展的一大難題。

目前,科學家們正在探索多種材料和技術來解決這一問題,例如超導體和半導體技術,並嘗試研發更穩定且易於量產的量子電腦硬體。然而,要實現大規模的量子計算應用,仍需克服諸多技術瓶頸。

量子電腦對未來生活的影響

量子電腦的快速發展將為未來帶來深遠的影響。它不僅將推動科學研究的進步,例如藥物設計、材料科學和天文物理等領域,還可能徹底改變我們的日常生活。例如,交通運輸、物流優化、金融風險管理,甚至氣候變遷預測,都有望因量子計算的應用而變得更加精確和高效。

然而,量子計算的發展也帶來了一些潛在的風險。隨著量子電腦逐漸成熟,現有的加密技術可能會被徹底摧毀,全球的資訊安全體系將面臨巨大挑戰。因此,各國政府和企業已經開始研究新的加密方法,以應對量子時代的來臨。

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PanSci_96
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從離子阱到拓樸量子位元:量子計算的未來還有多少可能?
PanSci_96
・2024/10/13 ・2069字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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量子電腦的新戰場:Atom Computing 的崛起

量子電腦的發展一直以來被視為科技的終極挑戰,從 Google 的量子霸權,到 IBM 不斷推進的Condor 超導電腦,業界翹首以待。然而,截至 2024 年,量子計算領域出現了一個新的變數。Atom Computing 一家美國新興公司,推出了擁有 1,180 個量子位元的量子電腦,不僅超越了IBM神鷹量子電腦的 1,121 個量子位元,甚至德國達姆施塔特工業大學也宣布開發出 1,305 個量子位元的超級電腦。

這些新興勢力的出現,不僅在位元數量上超越了 Google 與 IBM 的現有設備,更顛覆了量子電腦技術路線的既有認知。與以往依賴超導技術的量子電腦不同,Atom Computing 與達姆施塔特大學採用了「離子阱」( Ion Traps ) 技術,利用雷射與電場操控離子,形成穩定且壽命較長的量子位元。這是否意味著,超導量子電腦將不再是量子計算的唯一未來?

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離子阱技術:量子計算的新契機?

為了理解這一新興技術的潛力,我們首先需要認識量子位元的製作原理。超導量子電腦運用電子在超低溫下的行為,來實現穩定的量子狀態。然而,隨著量子位元數量增加,超導系統面臨物理尺寸與能耗的挑戰。這也是為何離子阱技術逐漸受到重視。

離子阱技術是透過電場陷阱將帶電的離子懸浮在空中,並利用雷射操控其量子態。這種技術擁有更高的穩定性,且能在更長時間內維持量子位元的疊加態。然而,由於需要超低溫、精確的電場控制以及真空環境,離子阱技術在商業應用中的成本仍然偏高,但它的潛力不容忽視。

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中性原子與光學魔法:更進一步的量子技術

除了離子阱技術,Atom Computing 與德國團隊則採用另一種不同的策略——使用中性原子來取代離子。中性原子不帶電,這意味著無法直接依賴電場控制,那它們如何操控?答案在於光學技術。他們運用光鑷(光學鑷子)和雷射致冷技術,用光來束縛和操控中性原子。光鑷是 2018 年諾貝爾物理學獎的技術,利用雷射的動量來推動和控制微小的粒子。

在這種方法下,雷射不僅能束縛原子,還能通過致冷技術將原子的運動降到極低,使得量子態更穩定。這種新興技術雖然仍處於實驗階段,但已顯示出其在量子計算中的巨大潛力。

量子點與鑽石空缺:人造原子的力量

另一個在量子計算領域獲得關注的技術是「量子點」( Quantum Dots )。量子點被視為人造原子,科學家透過在矽晶體等半導體材料中束縛電子,並利用微波來控制其自旋狀態。這項技術的最大優勢是半導體產業已經相當成熟,因此如果量子點技術能成功商業化,其普及速度將非常快速。即便如此,量子點技術仍需要在低溫環境下運作,且面臨如何克服材料內部雜訊干擾的挑戰。

與此類似的技術還包括「鑽石空缺」( Diamond Vacancies ),它透過在人造鑽石中替換部分碳原子,以氮原子取代,並使用雷射來激發這些空缺結構。鑽石空缺技術的最大優點是它不需要極低溫,能在室溫下運作,這使得它在未來的量子計算應用中具有很大的潛力。

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量子電腦模擬的原子核 。圖/wikimedia

二維世界的探索:拓樸量子位元

隨著三維物理的極限逐漸顯現,科學家們將目光投向了二維世界,探索其中的量子計算可能性。微軟與貝爾實驗室都在研究的「拓樸量子位元」( Topological Qubits ) 便是一個例子。拓樸量子位元基於一種稱為「任意子」( Anyon ) 的準粒子運作,這種粒子只存在於二維空間中,並且擁有無視傳統量子力學法則的特性。

拓樸量子位元透過操控粒子的空間幾何軌跡來實現運算,這種軌跡在二維空間中表現出穩定且高度容錯的特性。因此,與其他量子位元相比,拓樸量子位元的穩定性與耐久性更佳。然而,這項技術仍處於實驗階段,距離實際應用還有一段路要走。

量子電腦的未來:量子糾錯與穩定性挑戰

儘管量子電腦擁有極大的潛力,但其目前仍面臨著許多挑戰,最重要的便是量子位元之間的「保真度」( Fidelity ) 與「量子糾錯」( Quantum Error Correction ) 技術。現代的量子電腦對外界干擾極為敏感,甚至微小的環境變化都可能導致計算結果的錯誤。因此,提升量子位元的精確率,並開發有效的糾錯技術,是量子計算未來必須跨越的關鍵。

以 Google 為例,他們在 2023 年發布的研究顯示,通過增加量子位元數量並使用「表面碼」( Surface Code ) 技術,他們成功降低了量子計算中的錯誤率。這項進展意味著量子糾錯技術正逐步成為現實,然而,大規模商業化的量子電腦仍需更多時間才能問世。

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誰將引領量子計算的未來?

量子電腦的發展方向多樣,從超導量子電腦、離子阱、中性原子、量子點、鑽石空缺,到拓樸量子位元,每一種技術都有其獨特的優勢與挑戰。誰能成為量子計算的最終霸主,仍然是未解之謎。或許在不遠的將來,量子電腦將以我們無法想像的速度改變世界,重新定義我們對計算、數據與科技的理解。

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新北「2024 國際青年氣候行動論壇」即起開放報名邀美、日、韓、馬拉威青年行動者齊聚 暢談永續實踐力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/05 ・1148字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 新北市環保局 提供,泛科學協助刊登。 

極端氣候現象頻繁發生,敲響人類減碳意識的警鐘,環保局將於 8 月 29 日於板橋新板金融大樓 17 樓舉辦「新北 2024 國際青年氣候行動論壇—綠色觀察家的行動沙龍」,邀請來自美國、日本、韓國、馬拉威等國的氣候行動專家及青年行動者們與會,與臺灣青年朋友交流,共同激盪永續方案、應對氣候挑戰。論壇即 ( 31 ) 日起開始報名,邀請關注氣候行動的新世代共襄盛舉(網址:https://greenage2024.com/services )。

環保局長程大維表示,氣候變遷是全球共同關注的焦點,更是跨世代議題,下一代的創新力與行動力絕對是淨零轉型的關鍵。新北市在逐步實踐淨零的過程,非常重視納入青年力量、持續聆聽年輕人的聲音。

2020 年環保局首創「新北永續未來學院」,以營隊形式培養青年關注環境時事、強化思辨能力;2021 年環保局邀集產官學界跨域領袖,首辦「新北青年氣候論壇」,整合各界豐富資源提供給青年世代,讓永續生活影響力開始發芽。

環保局表示,新北青年氣候論壇已邁入第四屆,今年更強化全球行動能量與國際視野,邀請多位國際產官學界專家參與暢談氣候行動實踐力,包括去年首次參與新北青年氣候論壇後,將再度來台的美國紐約荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser,其獲白宮科技政策辦公室認可為「氣候教育和素養變革倡導者」,持續培養有潛力的青年成為氣候領袖,本次也將帶來全球青年氣候實踐行動的豐富經驗。

另外,論壇還將邀請強調社區永續及跨域人才培訓的日本 Glocal Center 主任 Hila Yamada、致力於建構永續生產與消費系統的韓國非營利組織 Hansalim 專案規劃 Park Ye-Jin、持續幫助在地社區提出應對氣候挑戰解決方案的馬拉威 Green Girls Platform 創辦人 Joy Hayley Munthali 共同交流。同時也邀請到前述 4 個國家的青年代表來到論壇現場,以行動沙龍形式進行國際交流,凝聚各國年輕人的思考與創意能量。

環保局進一步表示,今年青年氣候行動論壇更首度搭配「氣候行動團隊創意徵件」,環保局於今年初廣邀臺灣學生從校園或社區出發,針對觀察到的環境問題提出行動方案,經過初選選拔及線上導師培訓課程後,4 組入選隊伍將於本次論壇中進行發表,與各國青年分享交流氣候實踐經驗,創造青世代影響力,培育具有改變城市力量的未來氣候人才。

「新北 2024 國際青年氣候行動論壇—綠色觀察家的行動沙龍」將於 8 月 29 日於板橋新板金融大樓 17 樓舉行,開放 100 位關注永續發展的青年參與,論壇自即日起開放報名至 8 月 20 日止(或額滿為止),歡迎有興趣參與的青年朋友至活動網頁報名(網址:https://greenage2024.com/services )。

新北環保局攜手全球產官學夥伴持續同行,並鼓勵青世代發聲,從校園到城鄉、從臺灣到世界,盼望以跨國行動思維讓臺灣青年的行動創意站上國際舞台,一同打造更美好的永續明天。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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