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後智慧手機年代:每個人都是工程師
美國加州大學柏克萊分校教授Jan Rabaey,談智慧手機

【作者: Jan Rabaey】   2019年03月08日 星期五

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圖一 : 美國加州大學柏克萊分校教授Jan Rabaey
圖一 : 美國加州大學柏克萊分校教授Jan Rabaey

即使進入了九十年代,仍有很多人都被說服行動科技是毫無意義的。這件事顯示了我們在預測自身的需求上,有麼多糟糕。而現在我們正進入後智慧手機的年代。Jan Rabaey他是美國加州大學伯克利分校的傑出教授,他將帶我們進入一個無定形/分化的行動設備世界,並詳細闡述這會對系統和半導體技術設計所產生的結果。他還說明了我們將如何增加能夠建立自有技術設備的能力。


到了2035年,會不會每個人都是工程師?


去整合中(Disintegrating)的智慧手機

任何企圖去解答IT在未來社會中的角色的人,應該要基於那些無所不在的科技,只要看看目前一輛新車中被整合的大量感測器和監視器,它讓我們一窺我有多少的感測器和啟動器會被用在整體的環境中。此外,我們作為一個人類,也將會進一步的被連結在一起。智慧型手機的年代已經帶來了一些不可逆的改變,而它們也將不會再回頭。


然而,智慧手機本身絕不是一個最佳的裝置,它的麥克風距離你的嘴巴不夠近,反而更靠近你的下巴,而從天線發出的無線訊號,也會被我們的頭部所干擾,而且也把輻射源頭靠到我們的腦部。但當你要操作你的智慧型手機,你又必須從耳邊將它移開,所以你不能同時進行對話。因此不意外的,很多人不再把智慧手機放在他們的耳朵邊,而是放在面前,開啟擴音對話。



圖二 : 然而,智慧手機本身絕不是一個最佳的裝置,它的麥克風距離你的嘴巴不夠近,反而更靠近你的下巴。
圖二 : 然而,智慧手機本身絕不是一個最佳的裝置,它的麥克風距離你的嘴巴不夠近,反而更靠近你的下巴。

這也是為什麼未來智慧手機將會被去整合(disintegrate),並非完全不可想像的,所有主要的裝置和功能,將會逐漸地分開。智慧手錶會成為一部分的使用介面,耳機會用來傳遞聲音,麥克風可以是人造牙冠包覆在牙齒上,眼鏡或者隱形眼鏡則用來顯示影像,天線則會被縫進你的夾克或者後背包裡。這些個別的裝置將會如同指揮得當的交響樂一般,妥善的一起運作,並給你最好的使用者體驗。


而不只是身體周遭的設備,您還可以根據特定的應用需求,來把你附近的人與物體的設備進行合併。高解析串流的運算能力太低?在地鐵站裡你身邊的那個人的處理器,可以為你提升一個檔次。長距離連線不良? 附近建築物上的天線可以從雲端收集全球數據,並透過本地連線將其發送給您。


而指揮這個管弦樂隊的人,將是一個人工智慧引擎,它已經學習了你的喜好,並可以根據你周遭不斷變化的環境來詮釋它們。但這個場景是有機會被推翻的,如果你知道最好的解決方法的話。所以換句話說,你應該留在你的駕駛座上。

很明顯,這種情況如果實現,將大幅的影響我們的日常生活。但鮮為人知的是,這幕後急速的變化。


工程師和設計師的新年代

這裡,我們進入了一個普通智慧手機用戶所不知道的世界:晶片技術和系統設計。在我們展望所描述的場景對這個領域的影響之前,讓我們先回顧一下。


從歷史上看,半導體技術的發展受到了摩爾(Moore)和丹納德定律(Dennard)的推動。它是依著一個可預測的發展藍圖前進,基於電晶體的規模和每個晶片的運算能力的增加相關。但在某些時候,這條軌跡遇到了一些障礙,而最主要的幾個,則是每個功能的電量沒有相應的增加,以及每單位面積可以散出的熱量的限制。這導致了電池更快的耗盡,或者在行動和非行動電子設備中產生無法接受的高溫。



圖三 : 從原先一個追逐規模的路線,我們現在已經發展為與功能、目標應用等相關的眾多技術整合的路線。
圖三 : 從原先一個追逐規模的路線,我們現在已經發展為與功能、目標應用等相關的眾多技術整合的路線。

在這個世紀變革之中,我們也因此從單晶片技術的路線轉向多樣化的路線。對於記憶和邏輯晶片,或者用於低功耗和高性能設備,意味著針對低功耗需求工程師必須選擇用於低洩漏電流的技術和材料,而針對高性能應用的工程師則關注諸如與高電壓或極端溫度的兼容性等參數。


因此,晶片、記憶體和其他IT組成單元已經變得越來越專業化。如果你有一個通用型的處理器(一個可以幾乎處理所有編程的電腦晶片),相對的,我們也已經投入許多時間在發展更專用的處理器。例如,針對影像處理進行優化的晶片,其在執行相同任務的節能效率高達了千倍。這例子已經非常符合去整合智慧手機的未來願景,其中每個設備將被指定用於高度專業化的任務。


與此同時,一些運算的核心基礎正在發生變化。最初受到圖靈(Turing)和馮·諾伊曼(Von Neumann)等人啟發的典範中,運算是「處理(計算)」的同義詞,並且是使用順序演算法來執行的。再進一步簡化:電腦就是你可以輸入數字的東西,然後它可以非常有效地計算出新的數字,依據預設的公式。


今天,運算已不再只是運算,它也是關於互動的。

而且重要的不再是演算法,但是數據。換句話說,電腦不再是輸入數字的東西,而是具有多種輸入和輸出可能性的複雜系統。它的智慧不再建立在一系列線性公式之上,而是建立在自我學習系統上:透過與環境的互動進行優化;根據所需的經驗產生輸出。


這整個演變使得定義半導體路線和評估有用且成本經濟的技術發展變得更加困難。這是為什麼系統和技術設計之間的合作變得越來越重要。也是為什麼,從開發的最初階段開始,就必須清楚具體使用某種技術的應用:是物聯網、雲端、還是自主學習。


「在中間相遇(各退一步)」是幾十年前imec的同事雨果.德曼(Hugo De Man)所說的。而這個概念當然不是新概念,但正變得越來越重要。對於像imec和半導體產業這樣的組織來說,抓住和實施這樣的研究方法是一項持續的挑戰,它會對整個內部組織產生影響。過去單獨運作的團隊必須突然緊密合作,一個可以專注於整個技術領域的團隊,現在必須拆散才能越來越專業化。


我們都會成為工程師嗎?


圖四 : 這個示意圖呈現了技術民主化的過程。隨著時間的推移,更先進的技術開始進入更多人的日常生活,而新興技術則定義了製造商,黑客和其他技術狂熱分子的工具包。
圖四 : 這個示意圖呈現了技術民主化的過程。隨著時間的推移,更先進的技術開始進入更多人的日常生活,而新興技術則定義了製造商,黑客和其他技術狂熱分子的工具包。

這整個發展可能為我們任何一個人提供機會,尤其是當相對先進的技術知識將繼續大眾化。


以照片和影片為例,現在每個人的智慧手機都可以使用先進的相機、影像編輯軟體和線上銷售通路等功能。而在過去,製作家庭影片和照片需要花費很多精力。


而一些小型熱情於科技的團體正在嘗試使用感測器、3D印表機,以及各種各樣的DIY技術和軟體,這些技術和軟體曾經非常昂貴且稀少,但現在已很容易取得開放的資源,或者透過每一個線上的電子元件平台購買。還有更小一部分的科技狂熱分子,試圖發掘區塊鍊和各種其他新興趨勢的可能性。


它就像一個反向金字塔:在頂部,你擁有大量可以使用某種技術的用戶;越往下,人群越小,他們可以運用的技術越複雜。但隨著技術的民主化,金字塔每層中可用的工具包都會發生變化。因此可以預測,現在製作數位影片和照片的人,很快就會發現DIY電子產品和3D印表機。而現在正在嘗試3D列印和擴增與虛擬實境程式的科技狂熱分子,之後就會使用更先進的整合應用程序和系統。換句話說:在2035年,我們都將成為一名工程師...


而工程師他們自己呢?他們仍然散佈在整個金字塔中,以其知識和專業知識為他們自己帶來存活的空間,如協助終端用戶實作可靠的技術,同時為新興技術和應用開發新的構建組元(building blocks)。構建組元將會越來越多,並成為生物和電子世界的混合體。因為這是此領域最令人興奮的發展之一。


在邏輯和運算能量方面,大自然有些訣竅,我們作為工程師和技術人員只能望之興嘆。想想人類和動物大腦的力量,一群鳥或一群螞蟻之間的合作,鯨魚或海豚之間的交流。這一切都不能僅靠電子學和物理學來實現,一旦我們能夠將化學訊號與訊號之間的交換結合到我們的技術構建組元和系統中,這個世界以及與之相關的全部可能將會為我們開放。而這些就讓我們再少再期待35年。


(本文由imec授權刊登/作者為Jan Rabaey,籃貫銘編譯)


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