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【活動紀實】M.I.C. ╳ IBM雲端講座:雲動一下

Zobot
・2014/11/26 ・2179字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

人類的運算史在IBM公司成立後寫下許多新頁,網路成為生活必需品,因應而生的「雲端」也迅速普及。進出雲端好像進出自家廚房一樣容易,而且人人都在使用,那麼廚房禮節就不能不重視。

雲端普及後資訊流通量大增,Big data改變了一些傳統產業,也帶動一些新興產業,究竟這些轉變會如何影響生活呢?

莊士逸:IBM 的步入雲端之路

莊士逸
講者:莊士逸Steve | 人稱「雲神」IBM雲端運算資訊系統規劃首席顧問

IBM的運算史

扳手指和數石頭是人類最早的計數方式,而後者讓計數範圍從十根手指頭解放出來,算是一個小小的進步,結繩記事也是運算史上一個里程碑。又過了很久,算盤出現,之後人類的計數工具並沒有太大突破。直到近代,好像要把落後進度趕回來似的,運算工具從人工變成機械,接著迅速進入數位時代,人類文明跟著起飛。

  • 1911年 IBM誕生
  • 1920年 第一台機械式計算機出現
  • 1957年 第一台電子化計算機出現
  • 1963年 台灣擁有第一台IBM電腦 (小趣事:舊時道路坑洞很多,電腦硬體在運送過
  • 中被震壞,所以載回修理時,就改用當時最平穩的交通工 具-牛車。)
  • 1969年 人類第一次登上月球;IBM產品的運算能力,讓太空旅行不再是夢。
  • 1994年 BBS出現
  • 2008年 雲端科技出現

運算能力對人類的影響,不僅發生在實驗室中,日常生活的便利性,例如鐵路售票系統、交通疏運系統等,都有賴這些技術。

雲端應用

“no matter what business you’re in, you’re now in the business of knowing."

現在資訊科技的應用有四大趨勢-雲端運算(Cloud)、資料分析(Analysis)、行動應用(Mobile)、社交媒體(Social-media),簡稱CAMS。

資訊產品越來越普遍,每個人產生或需要的資料量大增。這些龐大的資料若各自儲存在自己的電腦或手機裡,並不實際,我們需要雲端來存放這些資料。

雲端的出現增加資訊產品的實用性,我們順勢迎接一個萬物互聯的世界(Internet of Things)。各類Big data的應用應運而生,例如汽車上裝感測器所記錄到的駕駛習慣Big data,可作為保險公司調整保費的依據。

「男孩與他的原子:全世界最小的電影」

過去儲存一位元(1 bit)的資料,需要百萬顆原子,而IBM的技術將大小減少到只需要十二顆原子就夠了!打個比方,若將從古到今所有電影作品儲存起來,記憶體只會有一片指甲大。

1997年超級電腦深藍(Deep Blue)打敗西洋棋世界冠軍;2011年第一具擁有人工智慧(AI)的機器人誕生;五年內我們會進入人工智慧與原子的世界。

對於雲端的迷思

雲端為了資訊流通便利而存在,但擁有便利的另一面,是資訊安全、隱私、版權等問題一一浮現。究竟我們應以什麼樣的態度使用雲端?雲端提供的服務和便利性應該到何種程度?又相關法規的訂定是否實用且合理呢?

我們或許可以將「雲端」視為一種如同水電瓦斯般的公共用品(Utility)。我們可以對雲端的品質有所要求,就如同要求自來水質、瓦斯氣壓穩定一般。同時對於雲端的安全性,我們也應該負些責任,就像檢查自家管線有無漏氣一般。

想像一個使用雲端服務的經驗,將它比擬成製作Pizza的過程;我們自己配料並將Pizza端進廚房(雲端)烘烤,烤完後端出廚房(雲端)享用。烘烤過程的安全性與Pizza的美味程度,當然與廚房設備有關,但使用者的習慣和態度也是很大的因素。


丁俊宏:雲端虛擬手機

丁俊宏
講者:丁俊宏Sam | VMFive共同創辦人兼CEO

講者曾經發想,是否能夠讓一支手機,可同時使用 Android 和 iOS 系統?這個點子聽起來相當吸引人,可惜因為某些原因並未實現。不過失敗之後,故事才要展開,講者把他的創意和對市場的敏感度帶到更多地方,甚至播下開發人才的種子。

AppUniverz 台灣創新行動服務推廣協會

Sam 首先回到清華大學推動校園創業,成立一個鼓勵學生動手實作、幫助產官學合作的非營利組織。參與學生將分成許多小組各自研發不同的App,一期活動下來,會聽到許多學生的創業想法。

Podinx庖丁行動科技

Sam 覺得寫程式要像庖丁解牛一般游刃有餘,所以為公司取這個名字。這次他的服務對象不再是系統端,而是為行動端的客戶開發軟體,例如KTV 點歌軟體「金嗓」、心跳偵測器等。

Boii保益科技

相信大部分的人對自己的保單內容一無所知,買保險時通常也是跟著保險業務員的說詞來選擇保險內容。Sam 看出保險業有資訊不對稱的問題,於是開發一個軟體,將各家壽險公司的保險理賠項目以變數表示,讓電腦程式作排列組合,投保人可對保單內容一目瞭然。

VMFive

之前幾次創業,市場都在國內,Sam希望這次能邁向國際,而他成功了。讓 VMFive 團隊在 TechCrunch Beijing 贏得冠軍的產品 AdPlay,是一個可讓使用者決定是否要點開App廣告並在瀏覽器上先試用的系統。

AdPlay之所以成功,除了因為不用下載就可體驗、在0.1秒內判斷行動端環境並提供適當服務、能在不同行動裝置和作業系統使用等特點,最重要在於它將使用者下載的行為,從「被動」變成「自願」。

這個系統還會記錄使用者試玩時的行為,例如在特定狀況下會按什麼鍵。Big data可以供遊戲開發商參考,設計使用者介面、預測熱門遊戲類型等。

【關於M.I.C.】
M.I.C.(Micro Idea Collider)微型點子對撞機是PanSci定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在14分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

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Zobot
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PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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超乎想像的運算力:量子電腦時代來臨,幾件你需要知道的事
科技大觀園_96
・2021/08/14 ・4039字 ・閱讀時間約 8 分鐘

臺灣大學 IBM 量子電腦中心主任張慶瑞表示,IBM 希望 15 年內讓量子位元數突破千萬,屆時傳統電腦耗費「萬年」才能計算的線性代數難題,量子電腦在數分鐘就可迎刃而解,因此現在密碼學的系統必須調整,立即進入「抗量子」時代。

為什麼「量子電腦」像隻巨獸般無所不能呢?難道它是「超級電腦」的加強版,由更多的位元組成嗎?不是的,傳統電腦和量子電腦是兩種截然不同的資料處理形式。

IBM量子電腦的內部構造,上面的一根根的都是同軸電線。(圖/flickr IBM Q,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/32390815144/in/album-72157663611181258/)
IBM量子電腦的內部構造,上面的一根根的都是同軸電線。(圖/flickr IBM Q,) 

神秘的量子行為,連愛因斯坦都無法接受 

傳統電腦以位元(bit)的形式處理資料,每一個位元會在兩種狀態中切換, 這兩種狀態被標為 0 和 1;量子電腦則用量子位元(qubit)來做, 它可以 0、1 的線性組合的疊加態。 

量子位元在疊加態(superposition)時,張慶瑞主任表示,假如把位元的位置以球體標示,南、北極位置分別代表 0 和 1,傳統電腦的位元只能在兩極之間切換,但若是量子位元疊加時,它能在二維球面上任何位置,不限於南北極。 

傳統電腦與量子電腦的位元差別。(圖/沈佩泠繪)
傳統電腦與量子電腦的位元差別。(圖/沈佩泠繪) 

量子電腦的具體表現,可以用「翻硬幣」的量子博弈遊戲來想像,一個黑盒子中有一枚硬幣,你跟電腦輪流去黑盒子裡翻硬幣,你可以選擇翻或不翻,你和電腦都不會知道彼此對硬幣做了什麼,數輪下來,打開盒子如果是人頭朝上就是你勝,反之就是電腦勝。

張慶瑞表示,如果是古典博弈,你跟古典電腦的勝率各是一半一半,因為古典行為只有翻或是不翻,位元只能以 0、1 兩種方式呈現;但量子電腦不一樣,它在黑盒子裡可能不直接翻成正或反面,而可能是將硬幣「轉動」起來,而這個量子轉動,不懂量子策略的人無法察覺。最後,只要你一開蓋觀測,硬幣就會變成反面朝上,量子電腦勝率達百分之百。

這聽起來非常不可思議,對吧!連愛因斯坦也難以接受量子力學,他曾說:「是不是只有當你在看它的時候,月亮才在那裡呢?」這個奇怪問題點出「量子行為過程無法被觀測」的神秘性質。沒有人知道在黑盒子裡,量子電腦到底對硬幣做了什麼事情,量子具體處在什麼位置,只要我們一觀測,量子疊加和糾纏等行為便會消失,量子就恢復古典粒子行為。

「要了解這個現象,恐怕要讀個十幾年物理學了。但現在量子電腦都被製造出來,你不如就接受它、用它吧!」張慶瑞笑著說。 

臺大IBM量子電腦中心主任張慶瑞曾至IBM參訪與量子電腦合照。(圖/張慶瑞提供)
臺大 IBM 量子電腦中心主任張慶瑞曾至 IBM 參訪與量子電腦合照。(圖/張慶瑞提供) 

量子糾纏 帶來雙指數成長的計算能力

量子的神秘力量不只如此,當粒子處於量子狀態時會有糾纏的特性,又稱為「量子糾纏」(quantum entanglement)。如同字面上的意思,「糾纏」指的是數個量子綁在一起成為命運共同體,張慶瑞提到,這就是「你泥中有我,我泥中有你」,彼此的狀態會連動,力量還能夠加乘,同時處理不同於古典電腦的計算。

大家都聽過「摩爾定律」(Moore’s law),指的是積體電路上容納的電晶體數量,每隔兩年便會增長一倍,大致說明電腦運算能力會呈指數型的成長,即 2¹ 、2²、2³ 。不過,張慶瑞表示,纏繞特性會讓量子電腦的計算能力以「雙指數成長」,即 2、2、2,這是今年Google量子人工智慧實驗室主任 Hartmut Neven 所提出的,又稱為 “Neven Law” [註1]

去年世界最快超級電腦 Summit 每秒能夠執行 20 億億次(2*1018)的浮點運算,它的非揮發性記憶體(NVRAM)達 800GB(gigabyte,10億位元組) [註2]。但張慶瑞提到,如果能控制量子彼此糾纏,並經過運算的除錯程序,量子電腦就能以 40 個左右邏輯量子位元,達成「兆」位元(1012)才有的運算能力,目前一般認為一個有除錯功能的邏輯量子位元,可能需要一千到一萬左右的物理量子位元組成。

「這很難做到!」張慶端表示,目前 IBM 開放 5 個量子位元供大眾使用,只有兩位元糾纏而已,臺大與 IBM 合作可使用 20 個量子位元,也沒有全部位元糾纏。今年十月 IBM 53 個量子位元的新機器即將上線,預計有 16 個量子位元可以直接糾纏 [註3] 。 

圖左上是IBM 20qbits系統,圖下是50qbits系統示意圖,可以發現量子位元沒有全部彼此互聯,圖右上則是量子處理器的封裝照。(圖/flickr IBM Q,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/38270974841/in/album-72157663611181258/)
圖左上是 IBM 20qbits系統,圖下是 50qbits 系統示意圖,可以發現量子位元沒有全部彼此互聯,圖右上則是量子處理器的封裝照。(圖/flickr IBM Q

 張慶端進一步解釋,量子難以糾纏是因為粒子是很難達到量子狀態,即便達到量子狀態,要長時間控制它也不容易,像 IBM 就採超導體材料製造量子位元,並以微波控制位元,但超導體必須在接近絕對零度(-273.15℃)的嚴苛環境下運作,亦有相干狀態壽命短等許多問題待克服,目前各國科學家還在尋求不同方式突破,主要當然政府也砸錢支持才會有突破。

為了維持超導體的低溫,量子電腦下方會裝設稀釋冷凍器。(圖/flickr IBM Q Credit: Graham Carlow,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26774588908/in/album-72157663611181258/)
為了維持超導體的低溫,量子電腦下方會裝設稀釋冷凍器。(圖/flickr IBM Q Credit: Graham Carlow) 

量子電腦的應用:量子通訊、量子金融  

目前世界上量子電腦商業運轉的進程是 IBM 量子電腦 53 位元,去年(2018)Google 發表 72 位元的量子處理器,但並未提供大眾使用。張慶瑞表示,量子電腦至少要 500 位元以上才能逐漸顯現威力,並進入量子優勢的階段。儘管量子電腦離商用還有段距離,不過現階段量子科技已在量子通訊及軟體應用上百花齊放呢! 

IBM量子電腦實驗室,電腦裝在白色的罩子中受保護。(圖/flickr IBM Q,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/38296273694/in/album-72157663611181258/)
IBM 量子電腦實驗室,電腦裝在白色的罩子中受保護。(圖/flickr IBM Q

張慶瑞提到,糾纏的量子之間,當一方狀態改變,另一方也會跟著變,所以開發量子網路系統就能增加訊息傳遞效率,因為知道一方的內容,就能得知另外一方的訊息。再者因為量子不可測量的性質,如果以量子作為秘密鑰匙,任何嘗試取得密碼的行為,都會造成量子狀態改變,因此可確保通訊無法被竊聽。

軟體開發以及應用部分正是「臺大 IBM 量子電腦中心」主攻的部分,張慶瑞提到今年在科技部支持下與 IBM 合作成立量子電腦中心,提供臺灣學界連接進入 IBM Q 系統的服務平臺。

目前 IBM 提供 20 個量子位元供臺灣的學術界成員使用,主要著墨的部分有兩類,一是處理基礎物理和化學的計算問題;二則是解決特定問題,尋找最佳解,例如:貨車要跑 100 個地點配送貨品,如何配送最有效率;工廠進出貨如何管理最有效率,金融最佳投資與風險控管等。

「現今 70% 量子電腦相關的新創公司,都只針對一個特定問題來研究與發展量子電腦解決方案。」張慶瑞表示,量子電腦最適合解複雜和大數據的難題,量子人工智慧、量子金融與區塊鏈都是很熱門的題目,

根據 IBM 報告估計,他們期待在 15 年後能進入千萬量子位元時代,也就是有超過 1000 個除錯的邏輯量子位元。屆時不用量子電腦就會喪失競爭力,因此即便現在硬體還不到位,新創公司也要搶奪先機、申請專利。

「我現在常跟大學生開玩笑說,你們及你們的下一代,應該無法脫離量子電腦了!五十歲以上可以不學,但是 20 歲以下必須要立刻開始。」張慶瑞坦言,這兩年大家才驚覺量子電腦的時代即將來臨,但大多並不重視,就如同 1968 年個人電腦剛出現一樣,當時並不知道現在會有人手多機的世界。

IBM 5位元的量子晶片(圖/flickr IBMQ,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26093923343/in/album-72157663611181258/  )。
IBM 5 位元的量子晶片(圖/flickr IBMQ )。 

在家就能用量子電腦了!跟上前沿科技的第一步 ,從學寫量子電腦程式開始

IBM 在 2016 年就推出 IBM Q5 五位元量子電腦,供大眾在線上體驗量子電腦,在家就可以在 IBM Q Experience上註冊帳號,雲端連線使用它了!

至今全球約有 18 萬名用戶在 IBM 量子電腦上做超過1千萬量子電腦模擬計算,並發表超過 150 篇量子電腦相關文章,台灣目前則有約 50 名用戶 [註4] 。不過目前它沒有辦法像現在電腦一樣友善,有各種軟體直接幫你解答,你必須要自己寫程式告訴它:問題是什麼及如何解決問題。

不過,學習量子電腦的程式語言並不會太難,所以全球目前有許多聰明的高中生也在使用。張慶瑞表示,只是你要懂一點物理與數學,又有 Python 的程式語言基礎,把一些量子概念像是 Hadamard gate(H gate)等概念加入程式中,努力就可以學會。

臺大 IBM 量子電腦中心不定期開設量子電腦的入門課程,臺大校內也有選修課,每個月巡迴到臺灣各大學舉辦量子電腦課程。目前正預備辦理高中老師的培訓,希望也能在高中推廣量子計算的應用,培育未來的人才。九月底科技部也與量子電腦中心合辦「 量子電腦導航」,內容包括:量子電腦與其計算原理、量子程式教學、量子邏輯閘初用,大家可以至臺大 IBM 量子電腦中心查詢相關活動。

如果覺得學寫程式太可怕,不妨就下載 IBM 推出的 “Hello Quantum” 的手機遊戲吧!用破關解題的方式,逐步認識量子電腦的運算規則。破關征服它後,說不定你會愛上它。 

臺大IBM量子電腦中心(圖/臺大IBM量子電腦中心提供)
臺大 IBM 量子電腦中心(圖/臺大 IBM 量子電腦中心提供) 
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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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史上第一部全自動的計算機——艾肯與 IBM 的恩怨情仇│《電腦簡史》數位時代(八)
張瑞棋_96
・2020/10/12 ・2932字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

當貝爾實驗室的史提畢茲已經在打造複數計算機,比他更早提案開發數位計算機的艾肯還在苦等。好不容易 IBM 願意開發,美國又捲入二次大戰戰局,究竟艾肯能否如願完成夢想……?

本文為系列文章,上一篇請見:終端機雛形、遠端操控、數據傳輸的首創者——史提畢茲│《電腦簡史》數位時代(七)

艾肯鍥而不捨,IBM 終於同意開發第一部通用型計算機

1937 年 11 月,還是博士生的艾肯帶著企劃案到 IBM 簡報,希望能說服他們也為科學家開發計算機。是的,很多科學家與艾肯一樣深受計算之苦,IBM 聽完之後深表同意。不過他們希望艾肯先去哥倫比亞大學看看,也許他會在那裡發現他想要的東西。

原來早在 1933 年,IBM 就曾接受天文學教授艾可特 (Wallace Eckert) 的提案,為他改造 IBM 601 商用計算機,用來計算天文物理的方程式。艾可特隨後還自己設計一套控制系統,將改造的 IBM 601、印表機,與打孔機連接起來,成為近乎全自動的機器。如果艾肯可以接受這套系統,IBM 就不用另外開發設計了。

IBM 601 商用計算機。圖:WIKI

艾肯拜訪之後,發現這套系統運作過程還是需要人工介入,不是全自動化。而且這台改造的 IBM 601 主要在於求取內插值,與他設想的通用型計算機相去甚遠,因此仍堅持得重新開發設計。

IBM 要求他與工程師先擬出詳細規格與研發成本,才能評估是否要投入開發。好不容易報告完成,IBM 高層又爭辯許久,無法取得共識。在此同時,哈佛大學自己內部也有不少的反對聲浪,質疑購置新型計算機的必要性。

直到 1939 年 2 月,IBM 董事長華森 (Thomas Watson) 才終於親自拍板定案,承諾無償為哈佛大學開發艾肯所規劃的「自動循序控制計算機」(Automatic Sequence Controlled Calculator,簡稱 ASCC )。恰好此時艾肯也已拿到博士學位,並在哈佛大學取得教職,便順理成章代表哈佛,繼續與 IBM 的團隊合作,自五月開始展開研發工作。

哈佛架構 vs. 馮紐曼架構

ASCC 沿用 IBM 原有的打孔卡片機制來輸入程式,但因為它是通用型計算機,所要執行的程式可能會很長,因此將打孔卡片改為打孔紙帶。打孔紙帶上的程式並不會先載入記憶單元,而是一次讀入一個指令,控制單元馬上根據指令動作。這麼做的好處是不佔用記憶單元,可以節省成本。但缺點是運算速度受限於讀取打孔紙帶的機械動作,結果 ASCC 做一次乘法要費時 6 秒,比楚澤 1941 年就造好的 Z3 還慢。

現代電腦採用的是「馮紐曼架構」,程式與數據都先全部載入記憶單元,然後再開始運作。像 ASCC 這樣,程式與數據分開,不共用記憶單元的架構,後來就稱為「哈佛架構」。

ASCC的程式用打孔紙帶輸入。圖:WIKI

ASCC 的運算方式仍是十進位制,因此對 IBM 的工程師而言,只要稍加修改原有運算單元就可以處理加減法。困難點在於 ASCC 要涵蓋三角函數、微分方程、遞迴函數、……等所有數學運算,但這些工程師對高深數學並不在行,無從想像如何設計。艾肯因此扮演關鍵的角色,必須一一拆解運算的步驟,講述給他們了解。

問題是,艾肯給予的只是描述性的說明,而不是數位邏輯,工程師還是得自己想出對應的邏輯電路。沒想到這竟為日後 IBM 與哈佛的決裂埋下了禍因。

艾肯入伍服役,三年後代表海軍徵用 ASCC

1939、1940 這兩年暑期,艾肯全程都待在 IBM 提供諮詢。但到了 1941 年,他被徵召到海軍服役,無法繼續參與研發,只能委託物理系一位研究生接手他的工作。在此同時,IBM 的工程師也改以國防任務為先,無法全心投入 ASCC 的開發,結果原本預計兩年的工程拖到 1943 年底才完成。

1944 年初,ASCC 在哈佛大學的物理研究室完成安裝,長達十五公尺,高兩米四,有 4.3 噸重,零件多達 765,000 個,是當時最大的計算機,直到一年半後才被貝爾實驗室的 Model V 超越。

ASCC 的左半部。圖:WIKI

安裝好才兩個月,艾肯便在當年四月重返哈佛,不過這次他是以海軍少校的身分回來接管 ASCC。戰爭時期國事為先,海軍決定徵用 ASCC,交由最熟悉的艾肯全權負責,帶領隨行人員計算雷達、磁場等軍艦遭遇的問題。

事實上,在海軍徵用前一個月,ASCC 就曾經為國效力。馮紐曼帶著兩位數學家前來,用 ASCC 計算原子彈的內爆模型,只是當時曼哈頓計畫仍屬絕對機密,哈佛與 IBM 的人員都不知道與原子彈有關。

艾肯獨攬發明之功,IBM 憤而與哈佛決裂

儘管 ASCC 已被海軍徵用,但這畢竟是 IBM 投入大量金錢與人力為哈佛開發的,預訂的捐贈典禮還是要照常舉辦,而艾肯自然是負責籌辦的最佳人選。捐贈典禮於 1944 年8 月舉行,不料艾肯準備的新聞稿中,竟然只將自己一人列為 ASCC 的發明者,完全沒有提及與他一起研究的那幾位 IBM 工程師。

IBM 董事長華森勃然大怒,刪除原本要給哈佛大學日後維持機器運作的經費,雙方的合作就此畫上句點,哈佛大學也乾脆將 ASCC 重新命名為「哈佛馬克一號」(Harvard Mark I)。

二次大戰結束後,艾肯退役回歸教職。即使沒有 IBM,他仍分別於 1947 年與 1949 年,為海軍開發出功能更強的哈佛馬克二號與馬克三號。

第一宗有蟲的真實案例,程式 debug 的由來

值得一提的是,1947 年 9 月 9 日這一天,海軍的程式設計師發現馬克二號總是出錯,他們檢查了半天,最後發現原來是一隻蛾在繼電器上造成短路。他們把這隻蛾取下,用膠帶貼在工作日誌上,除了註明是在 F 板塊的第 70 號繼電器發現,還戲謔地寫上「發現第一宗蟲的真實案例」(“First actual case of bug being found”)。

原來打從 1870 年代開始,蟲 (bug) 這個字就用來形容機器中的瑕疵。如今竟然是一隻真正的昆蟲造成程式執行發生錯誤,而將牠移除後就恢復正常,從此電腦程式的偵錯工作就叫 ”debug” 了。

「發現第一宗蟲的真實案例」。圖:WIKI

艾肯心血雖成昨日黃花,百年樹人影響更久遠

其實艾肯代表海軍徵用哈佛馬克一號時,美國陸軍委託另一批人馬打造的計算機已在祕密進行中,所用的真空管開關速度遠勝繼電器,艾肯這些機電式計算機很快就要被電子計算機淘汰。儘管如此,哈佛馬克一號仍是電腦史上一個重要的里程碑。它是第一部真正全自動化的計算機,只要用打孔紙帶輸入程式與數據,就能自動完成計算,並將計算結果印製成表格,過程中完全不需人力介入。

對艾肯而言,他也成功擔起傳承的使命,實現百年之前巴貝奇未竟的分析機夢想。

其實艾肯更大的貢獻在於作育英才。除了直接教導出霍普 (Grace Hopper) 、王安、……等舉足輕重的人物(霍普當年是海軍少尉,跟著艾肯去接管哈佛馬克一號,她後來寫出第一個編譯器,還領頭開發出第一個高階商用電腦語言「COBOL」;王安則是創辦「王安電腦」,首創電腦文書處理。),艾肯還首開先例,在哈佛大學開設可攻取碩士與博士學位的計算機學程,引領美國大學設立電腦科系的風潮。

這些艾肯直接與間接培育出來的電腦人才,比起他開發設計的計算機,對於電腦發展產生更久遠的影響。

張瑞棋_96
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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》。