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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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2011十大未來科技(下)

譯/羅耀宗

Technology Review每年都會觀察前一年的科技進步情形,選出我們認為將產生最大影響的十種新興技術。入選的終極標準簡單明瞭:這種技術有可能改變世界嗎?今年獲選的技術包括高能電池,更便宜的混合動力車和電動車可望因此成真,以及新型電力變壓器,能夠穩定電力網的供需。我們選出的一些技術,將改變你使用技術的方式:你將在行動裝置上借重運算密集的應用,或者透過手勢,指揮裝在電視機和汽車裡面的電腦。其他的技術也許會改善你的健康;例如醫生了解個別腫瘤的基因,可以設計出效果更好的癌症治療方法。不管哪一類,全部十種技術都將使我們的生活更加美好。──Technology Review編輯部

讓雲端運算更安全 同形加密

克瑞格‧詹崔(Craig Gentry)正在研製一套加密系統,可望解決許多組織不敢利用雲端運算(cloud computing)以分析和採擷資料的問題。這種作法的安全風險太高,不能讓亞馬遜(Amazon)或者Google等公共雲端供應商存取未加密的資料。

問題出在:雖然資料可以用加密的形式,送到雲端供應商的資料中心,以及用加密的形式,從雲端供應商的資料中心取回資料;但驅動雲端的伺服器,卻無法用那種方式對它做任何事情。在IBM當研究員的詹崔告訴我們,不需要解密也能分析資料。其中的關鍵是:資料加密之後執行數學運算,然後將運算結果解密,得到的答案,和對未加密資料執行類似的運算所得到的答案完全相同。對未加密資料執行運算,以及對加密資料執行運算,兩者的對應稱作同形(homomorphism)。「原則上,」詹崔說,「可以利用類似這樣的方法,確保網際網路上的運算安全。」

一家公司如果應用同形加密(homomorphic encry-tion),可以把整個電子郵件資料庫加密,上傳到雲端,然後愛怎麼用雲端儲存的資料就怎麼用──舉例來說,搜尋資料庫以了解員工如何協同工作。搜尋完,將結果下載,並且解密,但是每一封電子郵件的細節不會曝光。

詹崔2008年開始研究發展同形加密,起初只能針對加密資料執行少數的基本運算,之後系統就開始產生垃圾。不幸的是,尋找一封電子郵件中的某段文字,需要將數以千計的基本運算串聯起來。他的解決方法是利用第二層加密,基本上是為了預防系統故障,需要重新設定時,保護產生的中間結果。

「如何建立真正的同形加密,這個問題已經爭辯了三十多年,詹崔卻是做對的第一人,知道讓數學運算行得通的辦法,」經營資料安全業務的密碼系統研究公司(Cryptography Research)總裁保羅‧柯赫爾(Paul Kocher)說。但是柯赫爾提醒我們:詹崔目前使用的方法需要大量運算,距廣泛運用還有一大段距離。

詹崔承認他運用雙層加密的方法「有點急就章」,而且系統跑起來太慢,實務應用還不可行,但他正在研究將它最適化,用於搜尋紀錄資料庫等特定的應用。他估計這方面的應用,可以在五到十年後上市。- Erica Naone

把高性能的軟體帶到行動裝置 雲端串流

在OnLive的矽谷會議室中,史提夫‧普爾曼(Steve Perlman)用手指頭輕輕碰觸iPad上由電腦產生,栩栩如生的立體女士臉孔。普爾曼輕刷螢幕,旋轉她的頭;她的眼睛跟著轉動,給予畫面補償,看起來繼續盯住一個點。這個運算密集動畫和視覺化,都不是在iPad上面產生的。這個裝置,功能還沒有強大到能夠盡責地跑這支程式。這支昂貴的軟體,稱作歐特克馬雅(Autodesk Maya)。普爾曼手指頭輕刷螢幕而輸入的訊息,送到跑這支軟體的資料中心。處理結果以影像串流的形式送回來,就好像立即回應他的碰觸那樣。

為了讓這件事順利進行,普爾曼研發壓縮影像串流的一種方法,克服以前使用行動裝置作為圖形密集應用遠端終端機卻失敗的問題。他的技術能讓複雜的電影剪輯或者建築設計工具等應用,在數以億計與網路連接的平板電腦、智慧型電話等裝置上面取用。至於消費者,則可以像使用DVD放影機那樣,即時快轉和倒轉串流電影。任何地方的學校則能輕而易舉使用軟體。「放長眼光,其實是要把所有的運算都送到雲端,」OnLive的執行長普爾曼說。

普爾曼最大的創新,是免用緩衝器,而一般的方法會利用緩衝器儲存幾秒鐘或者幾分鐘的串流影像。雖然緩衝器可讓任何遺失或者延後送達的資料,有時間在需要用到之前重新傳送,卻會產生滯延現象,不可能展開即時工作。普爾曼改採各種不同的策略,填補或者隱藏遺失的細節──在極端的狀況中,甚至利用前面收到的畫格,以外插的方式填補整個畫格──如此一來,即使有些資料遺失或者延後送到,人眼也察覺不出有什麼異樣。這套系統也不斷檢查網路的連線品質,提高影像壓縮的數量,以及視需要降低頻寬需求。為了省下寶貴的幾個毫秒,普爾曼甚至與網際網路營運商磋商,確保他的伺服器傳出的資料,是在高速、高容量的網際網路骨幹(Internet backbones)直接傳送。

他的目標是在80毫秒內回應使用者的輸入訊息。80毫秒是視覺的重要門檻。對範圍廣泛的許多應用來說,達到這個門檻極為重要。普林斯頓大學的電腦科學家維維克‧白(Vivek Pai)說:「如果你看到自己正在做的事情和所做事情產生的結果之間有延誤,你的腦子就會開始游移。」

普爾曼2007年創設OnLive,將他的串流技術商業化。去年他推出一種訂閱服務,提供雲端版的熱門動作遊戲。就運算能力和回應力而言,動作遊戲是要求特別高的應用。不過,遊戲只是個起步──OnLive的投資人包括製片廠華納兄弟(Warner Brothers)和歐特克。歐特克除了馬雅,也生產工程師和設計師使用的電腦輔助設計(CAD)軟體。普爾曼相信,終有一天,「任何行動裝置將能把巨大的運算能力,帶給世界上任何人,而他們使用的裝置,小到像連網行動電話那樣。」-David Talbot

讓極為重要的軟體更加安全 防當程式碼

當一台電腦控制著車輛和醫療裝置中極為重要的系統,所用的軟體如果含有臭蟲(bugs),可能造成一場災難。澳洲國家資訊科技研究中心NICTA的研究員茱恩‧安卓尼克(June Andronick)說,「風險高得不必要的」程式,可能危害生命的安全。由於最近發現的一個電腦漏洞,她舉例說明:「汽車可能因為音響系統受到攻擊而遭到控制。」她正試著降低這些風險,所用的方法是證明作業系統中最重要的部分──核心(core或者kernel)──永遠不會當掉。

為了研製可靠的軟體,現在為人偏愛的方法,是在時間和想像力許可之下,在盡可能多的情況中加以測試。安卓尼克卻改用稱作形式驗證(formal verifica-tion)的一種技術。微晶片設計者在製造積體電路之前,用這種技術來檢查設計是否有問題。他們以數學式代表晶片的子系統,以證明晶片的表現將如設計般,可以有各種可能的輸入。到目前為止,形式驗證被認為不適用於作業系統等大型程式,因為分析程式碼的代表式太過複雜。但是安卓尼克和她的同事在NICTA的葛溫克萊恩實驗室(Gerwin Klein’s lab)進行研究,提出運算和數學上的精心傑作,能在形式上驗證構成作業系統大部分核心的程式碼。這些作業系統是為處理器而設計的,而處理器經常嵌入智慧型電話、汽車、可攜式醫療設備等電子裝置中。由於這是最後能將軟體指令從系統的其他部分,傳到硬體要它執行某些動作的程式碼,如果能做到完美的地步,將對整個系統的可靠性影響很大。

劍橋大學的電腦科學教授羅倫斯‧鮑爾森(Lawrence Paulson)說:「這方面的研究十分重要。」他表示,除了顯示核心沒有臭蟲,可能導致它當掉之外,這種驗證也能保證核心會絲毫不差地執行程式設計要它執行的每一項功能。

由於選擇開發所謂的微核心(microkernel),所以事情做起來容易些。微核心將盡可能多的功能──例如處理輸入和輸出──下授到核心之外的軟體模組。因此它們相當小──在這個例子中,是指約7,500行的C程式碼,以及600行的組譯器(assembler)。安卓尼克說:「對核心來說,這真的很小,但對形式驗證而言卻很大。」他們針對數千行的C程式碼展開分析工作;為了這件事,必須發展新的軟體和數學工具。核心已於2月間發表,整個研究團隊正在為十分暢銷的x86處理器晶片設計另一個版本。

安卓尼克並不期望這種技術可以擴大用到規模大得多的軟體,但她不認為有必要這麼做。使用關鍵子系統中經過驗證的程式碼,能讓開發者確定未經嚴格檢查的程式──例如汽車音響介面所用的程式──裡面的臭蟲不會影響極為重要的硬體。這也可以防止電腦在遇到問題時整個鎖住。安卓尼克希望更多的軟體開發者「在安全和保全極為重要的領域接納形式驗證」。她說:「我們已經證明這是可以辦到的。」-William Bulkeley

更精準地判讀去氧核糖核酸(DNA),將改變治療疾病的方式 分離染色體

史蒂芬‧奎克(Stephen Quake)的實驗室中,一具顯微鏡底下清澈的橡膠晶片,是個複雜的迷宮,由細小的通道、分格和幫浦組成,連到細小的塑膠管,由塑膠管供應試劑和控制六百五十多個微型閥門。史丹福大學的生物物理學家奎克利用這個微流晶片,設計一種方法,取得幾乎所有人類基因體序列遺失的資料:某個基因屬於一對染色體中的何者。

拜科技進步之賜,我們現在比較容易確認染色體之間的變異,而這可能對根本的基因體研究和個人化醫療產生巨大的衝擊。「這絕對是下一塊新的研究領域,」斯克利普斯研究所(Scripps Research Institute)的統計基因學家尼可拉斯‧雪爾克(Nicholas Schork)說。他表示,「我們遺漏了許多人類基於(成對的染色體)而發生的各式各樣生物現象。」

科學家在做人類基因體的排序工作時,大致上忽略一個事實:染色體是成對出現的,其中一條遺傳自母親,一條遺傳自父親(決定性別的Y染色體例外)。標準的技術是將這兩條染色體的基因資料混在一起,產生單一的序列。

奎克改用的方法,是在做基因體分析之前,就從實體上分離染色體。他將細胞從管子注入晶片;當奎克發現有個細胞正要分裂(這個階段的染色體比較容易操控),就將細胞捕捉到分格內,弄破細胞膜,使得染色體溢出。它們隨機分配到48個較小的分格。雖然可能有一個以上的染色體進入某個分格,但是一條染色體非常不可能和與它配對的染色體落在同一個分格。他接著利用標準技術,將染色體排序,或者篩選基因變異。

也有其他的團隊採用不同的策略,將個別染色體排序。但是奎克認為他的方法有個優點,因為他不必像別人那樣用到解碼,然後從混在一起的DNA片段重建染色體,「根據我們實體上準備樣本的方式,我們知道這樣做(結果)是對的,」他說。

國家癌症研究所(National Cancer Institute)的核心基因分型設施(Core Genotyping Facility)資深科學家梅瑞狄斯‧葉格(Meredith Yeager)說,如果成本降得夠低,奎克的技術將為人廣泛使用。能夠例行性判別基因變異是存在於不同的染色體,「真的非常了不起,」葉格說,「情境背景真的很重要。」
舉例來說,如果檢驗之後察覺一種疾病相關基因有兩個不同的突變,我們現在不可能判斷到底是一條染色體有兩種突變,還是每條染色體各有一個突變。病人如果至少有一個好基因,能夠避開罹病,或者患病輕微的可能性就會高很多。不管我們的目的是預測一種氣喘藥的反應,或者對骨髓移植做更好的配對。個人化醫療的準確性最後將取決於了解染色體之間的差異。

奎克1999年與人在南舊金山合創流達公司(Fluidigm),將微流晶片商業化。他正在尋找方法,將染色體分離晶片自動化,如此就不需要用到很多專門技術和知識。奎克希望在人類多樣性或者定義免疫系統反應的基因體區塊方面,發現「真正有意思的東西」。這個區塊一直很難了解,因為它有很多基因變異,而且科學家直到現在因為缺乏工具,無法仔細研究。-Ingfei Chen

設計新的基因體,可以加快研製疫苗和生產生質燃料的細菌 合成細胞

在丹尼爾‧吉布森(Daniel Gibson)的實驗室中,架子上一排排的培養皿培養的細菌,是用完全人造的基因體製造出來的第一批活生物。這些微生物的全部基因,是在電腦上編輯,然後用機器加以組合。機器從化學物創造基因片段,並且利用 輔助細胞,將那些片段拼湊起來。吉布森希望借重設計和創造整個基因體的能力,而不只是使用長度短的DNA,急劇加快設計製造微生物的程序,進而用很高的效率,生產生質燃料或者疫苗。

直到去年以前,生物學家始終無法做出夠大的DNA,以產生整個基因體;但是活細胞經常不斷產生很長的DNA,DNA合成機器卻做不到相同的事。5月間,吉布森和他在克瑞格文特研究所(J. Craig Venter Institute)的同事宣布,他們解決了這個問題。吉布森利用酵母細菌,將機器製造的數以千計DNA片段拼接起來,將比較長的DNA集合在一起,然後重複這個程序,直到產生完整的基因體為止。他接著將基因體插進即將分裂的細菌細胞,然後在一種介質中,培養這種細菌。這種介質除了對含有合成基因體的細胞之外,對其他所有的細胞都不友善。

「2004年我們開始研究的時候,」他說,「組合完整的細菌基因體,看起來不像容易的事」──不過文特研究所的研究員從已經排序好的一種最小的細菌基因體做起,那就是黴漿菌的基因體。在終於克服相關的技術障礙之後,吉布森說,創造合成細胞本身是叫人興奮卻也成為沒意思的工作,因為現在從電腦螢幕到細菌菌落,似乎輕而易舉。

吉布森也開發出一種速度更快,不用酵母的方法,在瓶子中組合很大的DNA片段。他的同事使用這些方法,迅速合成必要的病毒DNA,以加快生產流行感冒疫苗。屬於非營利性質的文特研究所,正與合成基因學公司(Synthetic Genomics)合作開發產品。這家公司負責將該研究所的研究成果商業化。

研製合成細胞是設計「最小細胞」(minimal cell)努力的一部分。最小細胞只含有生命所需的最基本基因體。吉布森和文特研究所的同事相信,合成生物學家可以利用這個最小細胞,作為高效率生產生質燃料、藥物和其他工業產品的細胞之基礎。

吉布森將他的合成基因體置入活細胞的技術,現在只適用於黴漿菌。這在實驗上相當有用,卻無益於工業生產。如果吉布森能夠調整這個系統,用於更多的細菌群,或許可以加快設計製造微生物的程序,生產出範圍更廣的產品。目前至少還有兩大挑戰:為基因體移植,發展合適的受體細胞,以及找到方法,使用更大的DNA片段。「我們仍處於早期階段,」他說,「現在還不知道有什麼極限存在。」- Katherine Bourzac




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