在近日於美國矽谷電腦歷史博物館(Computer History Museum)舉行的美國國家工程學院(National Academy of Engineering)區域研討會上,產業專家提出了工程領域面臨的四大挑戰:一是培育下一代的工程師,二是創造一種比HTML更具互動性的媒介,三是開發真正安全的物聯網(IoT)系統,四是對大型資料中心面臨的頻寬危機做出回應。

曾任職於蘋果(Apple)、迪士尼(Disney)與惠普(HP),並曾在1970年代於Xerox PARC協助引領個人電腦(PC)概念的資深研究員Alan Kay認為,工程師們應該花時間到中小學的教室去提供像是培訓「(職棒)小聯盟」的服務:「我們得發展一種工程師文化;我們的服務理念必須直接傳承給下一代…孩子們是不能等待的。」

不過他接著補充指出,要在工程技巧與教學技巧之間找到正確的平衡點很困難,也就是該如何有效地吸引年輕學子投入工程領域?舉例來說,他諷刺地認為目前風靡各大學的大量開放性線上課程:「很恐怖…你需要有一些把網際網路當成合法毒品以外工具的洞察力。」

Kay參與了一項美國國家工程學院於2002年發起、目標是定義出2020年工程師需求的計畫,但該目前幾乎沒有任何符合該計畫的進展,因此他呼籲工程師們能想得更遠、定義大膽的行動方向:「工程師們為何不能自我“重整(re-engineer)”?我們需要一種想像力放大器,讓我們自己能因應未來無法預料的挑戰,像是氣候變遷等等。」

與數位世界的互動介面需要升級

在Apple參與iPad開發的使用者介面專家Bret Victor則讓現場聽眾預覽了一種令人驚豔的智慧互動介面;如下圖所示,對一個濾波器的描述能讓使用者對相關聯的電路圖、方程式與圖表做改變,並看得到改變之後三者的變化。

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能提供互動體驗且相互關聯的電路圖、方程式與圖表程式碼
(來源:Bret Victor)

他親自示範如何移動各種元素:「這展示了圖表、方程式與電路圖是如何共舞,讓你與系統之間取得其他方式無法提供的親近感;」並表示有一些Google的工程師正嘗試在他們即將出版的、專門討論機器學習的數位刊物中利用這些技巧,他們可能會:「在每一篇文章中放進像是真人實境秀(100 hours)那樣的東西,因此我們已經克服最困難的挑戰。」

Victor表示,這種新的程式碼技術,可望催生一票精通寫程式的繪圖家;無論如何,這將帶來更豐富、更高互動性的體驗:「我們已經在讓電腦快速移動位元方面做得很好,但那些位元所呈現的,仍像是我們習慣的印刷紙張;我們是把網際網路當成大型傳真機用。」

大會主持Vint Cerf認為,這種新技術將開啟全新種類的讀寫方法,不過他也指出,底層的軟體可能還要100年的時間才能跟著改變;其他人則認為,這種技術成就是從資訊時代轉移到某種體驗的廣泛行動之一;也有人指出,大型磚列觸控顯示器http://web.eng.ucsd.edu/~jschulze/publications/DeFanti2009b.pdf的開發也是另一種提供更豐富互動體驗的嘗試之一。

因應物聯網的不安全感

安全專家Peter Neumann探討了他參與的政府專案,目標是為可證明安全的系統鋪路;他目前擔任美國國防部先進研究計畫署(DARPA)旗下CRASH (Clean-Slate Design of Resilient, Adaptive, Secure Hosts)專案的首席研究員,旨在打造能抵抗網路攻擊的自癒系統。

Neumann指出,這類系統非常有必要,就算今日的裝置採用硬體信任根(root-of-trust),例如ARM的TrustZone,能根據監測系統的電力使用情況或傳送干擾能量脈衝,來防範跨頻道攻擊(side-channel attacks)或故障注入(fault injections):「我們已經來到了一個無法相信任何事情──無論軟體或硬體──的地步,系統嵌入的最高級加密也無法保證安全。」

「若缺乏安全性,物聯網無法長期生存…如果我們持續讓事物上線,讓它們能直接或透過其所在網路被破壞,就沒有希望;」他認為那些標榜能保障物聯網安全的廠商宣傳,都是「不切實際的詐欺」,一切都是虛無飄渺。

CRASH專案已經為64位元MIPS系統開發了一個正式規格,採用特殊的指令集:「如果沒有正確的憑證,就無法連結相關聯的物件,例如整個資料庫或是某個應用程式;」Neumann表示:「我們正在使用正式方法來證明這種功能機制無法被繞道或是偽造──有鑑於這種架構,有希望能催生安全的物聯網裝置。」

從1970年代就從事安全系統開發的Neumann指出,他們開發的功能系統與以往他看過的都不相同,是真正跨出了嶄新的一大步,但他也認為這個任務十分艱鉅,參與這個原本預計為期四年之研究專案的研究人員們已經工作了六年:「我們可能會往第八個年頭邁進。」

而他強調,就算該機制成功,也不能保證無堅不摧:「你仍會面臨密鑰管理問題、阻斷服務攻擊以及像是Snowden (編按:洩漏美國監聽計畫的美國中情局前探員)那樣的內部洩密者,而這才是最糟的情況。」

資料中心頻寬面臨嚴重瓶頸

目前負擔近四分之一整體網際網路流量的Google,其連網部門負責人Amin Vahdat敘述了該公司目前面臨的艱鉅任務:「我們在連網方面需要大量協助,運算技術發展已經來到了一個十字路口,而連網技術將在運算技術發展過程中扮演超重要角色。」

根據阿姆達爾定律(Amdahl’s Law)每MHz運算需要1Mbit/s速率I/O的規則,Google擁有5萬台伺服器的叢集,就需要5 Pbits/s的頻寬;相較之下,整個網際網路總計需要的只是200 TBits/s的對半頻寬;他表示:「這是一個(25MW)資料中心建築中的一個叢集,而我們在全世界各地有數十做這樣的建築…因此我們需要所有的資料中心擁有比整個網際網路還大的頻寬。」

但Vahdat指出,隨著網際網路流量以及Google業務的成長,問題只會更嚴重;要因應網路升級又不中斷服務,需要基礎架構的改變;他舉出Google面臨的挑戰案例,並介紹該公司最近為處理互連流量(peering traffic)推出的Espresso系統,牽涉了擴展做為網際網路流量路由基礎之邊界網關協議(border gateway protocol,BGP)的功能。

Vahdat表示,BPG無法預測約只要20%時間的任務最短路徑,但利用Espresso,Google基本上是在伺服器上採用特殊應用訊號,來維護自己的路由映射(route map)與流量狀況:「這種即時控制迴路非常強大…也是我們打造儲存與運算基礎設施的方法,而現在我們將之應用於連網;」但他表示可以預見接下來五年升級網路頻寬的方式,在那之後則狀況不明。

而Vahdat也認為,資料中心應用的處理器技術將比網路技術先碰壁;關於這個挑戰,他提及美國加州大學柏克萊分校教授David Patterson在同一場大會上的演說,Patterson是Google最近發表之張量處理單元(TPU)論文的作者之一,他表示TPU是新興特殊應用處理器風潮的一部分,隨著攸關電晶體性能提升的摩爾定律趨緩,這類處理器將越來越流行。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Four Grand Engineering Challenges,by Rick Merritt)