【Wired 硬塞】DeepMind 成功開發出可以控制核融合的 AI 演算法

Google 旗下的人工智慧公司 DeepMind 成功地訓練出一套強化學習演算法,能讓電腦控制環磁機中的電漿。
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Photo Credit:Curdin Wüthrich/洛桑聯邦理工學院
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原文來自 Wired《DeepMind Has Trained an AI to Control Nuclear Fusion》,作者 Amit Katwala。台灣康泰納仕集團授權提供,由 Amber Peng 翻譯並經 INSIDE 編審。

這個看起來像甜甜圈的設備就是托卡馬克(Tokamak),又稱環磁機,是核融合發生的地方。它的內部正上演一種特殊的混沌事件,也就是讓氫原子互相碰撞,產生比太陽表面還炙熱、形狀和體積不固定的電漿。

核融合被視為未來提供乾淨能源的絕佳方式,而精準地控制電漿則是其中的關鍵技術。科學理論上核融合可行,但問題在於如何實現它。瑞士洛桑聯邦理工學院的電漿中心主任安布洛吉歐・法索利(Ambrogio Fasoli)指出:「我們必須持續加熱這個物質並且不能讓它散開,直到成功地取得能量為止。」

而這就是 DeepMind 大展身手之處。這間 Google 母公司 Alphabet 旗下的人工智慧公司之前才將觸手伸到電玩遊戲和蛋白質摺疊(Protein folding)領域,現在也開始和電漿中心合作,共同開發一套人工智慧來控制核融合。

恆星的能量也來自核融合,它本身的質量大到就算氫離子的電荷相反,也可以把氫離子拉在一起。但是在地球上,科學家必須要用強力磁圈把氫離子帶到正確的位置上,並且像陶匠在轉盤上捏造陶土一樣把電漿塑形,過程中必須很小心地控制磁圈,讓電漿不會碰到環磁機,不然設備會毀損,並且讓核融合反應慢下來(不過不太需要擔心爆炸,因為核融合在沒有磁場控制的環境下不會發生)。

但是改變電漿的形狀以產生更乾淨的電漿或更多的能源是一項大工程,中間涉及大量的計算和構思。傳統的電腦系統都是依模型和經過精密計算的模擬來控制電漿,但是法索利指出:「傳統的系統很複雜,而且也不一定最佳化過了。」

好消息是,DeepMind 已經開發出一套可以控制電漿的人工智慧演算法。一份發表在《自然》雜誌的研究敘述了兩組研究人員共同訓練強化學習去控制瑞士電漿中心的可變配置環磁機(variable-condition tokamak)內 19 個磁圈的過程。瑞士電漿中心是開展核融合研究的重地,對未來大型反應爐的設計相當重要。

DeepMind 的控制組組長馬汀・瑞德米勒表示:「人工智慧,尤其是強化學習非常適合用來解決像是控制環磁機裡電漿這種很複雜的問題。」

人工智慧裡的神經網路是一套模仿人類大腦的電腦模型,一開始由電腦不斷模擬與試算訓練而成。首先它會觀察改變 19 個磁圈的配置如何影響設備裡電漿的形狀,接著它就要試著塑造不同的電漿形狀了,例如將在國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,正在法國興建中。)使用的 D 形,或是可以在設備內更平均分配核反應產生的熱能的雪花形。

不管是電腦模擬還是科學家在可變配置環磁機裡實際操作,DeepMind 的 AI 都可以自動算出控制電磁圈並產生特定電漿形狀的方式。法索利認為這是一大突破,並可能改善未來環磁機的設計和加速核融合反應爐的興建。

倫敦帝國理工大學的核融合專家亞絲敏・安得魯(Yasmin Andrew)表示:「實驗結果非常地成功,但如果他們可以把研究帶到更大型的環磁機就棒了。」安德魯並未參與此研究。

雖然 DeepMind 曾因為 AlphaGo 一戰成名,但對於 DeepMind 的研究人員來說,核融合是一項特別艱鉅且漫長的挑戰,因為核融合跟一來一往的圍棋不一樣,電漿會一直改變,更困難的是研究員也不能隨時測量電漿狀態,因此 AI 人員都稱這次的研究為「黑暗中的系統」。

DeepMind 一位研究人員喬納斯・布奇利(Jonas Buchli)指出:「就算是很會解決複雜問題的演算法,遇到這種連續性的難題也會頭痛。因此這項研究是我們演算法的一大突破,我們證實了這套 AI 是可行的而且認為我們真的解決了一個超級超級複雜的問題,這跟下圍棋遇到的是完全不同等級的挑戰。」

但這次的實驗並非是 AI 第一次運用在控制核融合。Google 從 2014 年就開始和加州的融合能公司 TAE 科技合作,他們將機器學習應用在不同的核反應爐,為的是加快分析實驗數據。另外,在英國進行的歐洲聯合環狀反應爐(Joint European Torus,以下簡稱 JET)核融合計畫也曾用 AI 試著預測電漿的行為。甚至在漫畫裡也曾出現類似的概念:2004 年《蜘蛛人 2》的八爪博士發明了由 AI 啟動、大腦控制的機械手臂,並用此來控制他的實驗性核反應爐。此機械手臂一直運作地很好,直到它掌控了八爪博士的心智並開始殺人為止。

總而言之,隨著核反應爐規模的擴大,DeepMind 的技術顯得越來越重要。雖然科學家已經掌握在小規模環磁機控制電漿的傳統方法,但是如果是在跟發電廠一樣規模的地方,困難度就大幅增加了。不過雖然緩慢,科學家仍持續取得進展。上個星期 JET 成功地從核融合取得有史以來最多的能源,而法國正在興建的國際熱核融合實驗反應爐預計於 2025 年啟動,這將成為世界上最大的反應爐。

美國聖地牙哥的能源研究中心研究員,迪米翠˙歐洛夫(Dmitri Orlov)表示:「越複雜且效能越高的環磁機就越需要更精準且穩定地控制大量的電漿。」由 AI 控制的環磁機可以把熱能從核反應中轉移到設備的內壁,以防止破壞「電漿的不穩定性」。而反應爐經過重新設計後就可以結合強化學習帶來的種種好處。

法索利認為,DeepMind 的技術讓研究人員完成看似不可能的任務,也縮短了核融合研究的漫漫長路。他表示:「靠著 AI,我們可以探索從前無法觸及的領域,因為有了 AI 的控制系統,我們就能承擔以前無法承擔的風險了。如果我們能確定手上的控制系統能帶我們到極限的邊緣,卻不至於超出極限,我們就能一窺以前無法想像的可能性。」

責任編輯:Chris

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圖解智慧國家四大關鍵科技,從不同角度帶你了解台灣的科技應用實力

大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?我們從四個面向帶你看台灣作為「智慧國家」到底有什麼實力!
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大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?自己說不如讓國際單位做的調查更客觀顯示。瑞士洛桑管理學院(IMD)每年9月公布的世界數位競爭力(World Digital Competitiveness Ranking)評比,最近一次報告2021年台灣在全球64個主要國家及經濟體當中排名第8,獲得歷年來最佳名次。

而且值得關注的是,支持數位競爭力的核心要素之一,也就是「科技」競爭力。IMD評比報告揭露台灣拿下全球第2的佳績,從2018年的第11名年排名持續上升,顯見台灣無愧於科技強國之名。


科技小百科:
瑞士洛桑管理學院(IMD)是一個長期研究國家與企業競爭力,在國際上具盛名及公信力的評比機構,並自1989年起發布「世界競爭力年報」World Competitiveness Yearbook,其評比報告與調查結果更是各國政府擬定相關政策之參考。IMD每年會定期公布兩份競爭力評比報告,其一是「世界競爭力年報」,每年在6月公布,2022年台灣在63個受評比國家中排名全球第7名。另一份報告為「世界數位競爭力評比」World Digital Competitiveness Ranking,每年在9月底公布,本篇文章引用的資料為這份兩份研究。


也因為科技與國家發展息息相關,有哪些技術是台灣不為人知的優勢?或是未來產業可大力投資布局的領域?我們找出其中四大項與智慧國家最有關的科技,展現台灣具備強勁的科技能量,或許你已經受惠,也或許你能從其中找到發展的機會。

關鍵科技一、融合海陸空領域的多維通訊

隨著國家管理範圍逐漸擴大,通訊範圍多元且彼此關聯,相關科技如低軌衛星、5G通訊、海底電纜等,形成環環相扣的多維通訊聯網。

仔細洞察2021年的IMD報告,台灣在「行動寬頻的用戶比例」這項指標,拿下全球第1的傲人成績。顯見台灣在通訊基礎建設的投資及普及率,是走在全球領先位置。

尤其5G/6G關聯科技更是未來多維通訊的具舉足輕重的地位,原因是5G衍生的價值鏈相當廣泛,舉凡從晶片、模組、終端、邊緣、系統、到應用服務,可形成完整生態圈。為了強健台灣5G專網的自主技術與供應鏈,從2018年先後成立5G產業發展聯盟、5G垂直應用聯盟、以及5G Open Networking平台,逐漸形成5G國家隊。

除了把5G領先國視為戰略目標,當創新技術落地,更能帶來龐大商機。根據工研院的預估,將5G的小基站、邊緣運算、網路虛擬化等關鍵產品、模組、元件加總起來,2025年的市場規模上看2,510億美元(約新台幣7.5兆元),其他國家還在積極推動5G聯網建設,顯見相關商機仍有相當大發展空間。

關鍵科技二、新型態數位經濟與網路服務

邁向Web 3.0的交叉點,元宇宙被視為下一代網際網路的新機會,市調機構Gartner預測,2026年全世界將有25%的人口,每天至少有一小時投入元宇宙虛擬世界,進行工作、社交、教育、購物、娛樂等活動,並藉由虛擬貨幣、NFT進行數位資產的交易,虛擬經濟逐漸成形。

所謂元宇宙,需要以5G/6G高速網路為基礎,透過VR頭盔/眼鏡作為進入3D虛擬世界的載體,在元宇宙的各種互動體驗則需仰賴AI運算、雲端/邊緣儲存、區塊鏈等核心技術支援。人們在元宇宙內可以滿足從現實世界做不到的事情,形成穿梭虛擬、現實之間的生活體驗與商業模式。

近七成投入元宇宙相關應用的企業,認為元宇宙在未來5年一定會蓬勃發展,虛擬音樂會、虛擬時裝秀、媒體及產品聯名展示活動,將是元宇宙優先發生的商業體驗。

那麼台灣要投入元宇宙有何利基?解析元宇宙供應鏈版圖,主要可分為晶片、光電、通訊、AR/VR裝置、內容以及AI技術,台灣科技可從硬體方面,包含晶片、感測IC、光學零組件、伺服器等擅長領域切入。像是大家熟知的半導體大廠台積電,對於相關晶片的供應就至關重要,另外光電產業也有揚明光、玉晶光、中光電等企業,讓投影技術更精緻,再來連接元宇宙的通訊技術,也有聯亞來支援,而裝置軟硬體、AI技術則是有創意、世芯、智原等企業投入,最後想到AR/VR集大成者,就不能遺漏宏達電在這一塊的耕耘,同樣威盛電、佐臻、未來市(XRSPACE)等品牌也積極佈局,可見台灣已有完整的供應鏈,接下來有志於加入元宇宙的廠家,不妨從自身的專長去思考,相信不論是哪個領域的企業,都能有更多的創新、應用內容投入,完善整個元宇宙生態。

關鍵科技三、疫後時代興起的智慧型代理人 

近年因疫情持續延燒,越來越多領域開始導入「智慧型代理人」,像是零售業者引進半自動化機器,協助人力處理訂單、點餐;又或是醫院使用機器人,藉由AI辨識功能分擔部分醫護工作。

所謂智慧型代理人,以它所知的知識範圍內,自主完成人類所給予的指令任務。智慧型代理人發展至今,能協助人類的廣度、深度越來越多,主要是受惠機器學習的技術更為先進,加上其他的自動規劃、互相協調等演算法的成熟,讓智慧型代理人成為下一波產業發展重點。

世界先進國家紛紛把AI納為國家產業重要發展策略,台灣從2018年就推出「台灣AI行動計畫」,全面啟動產業AI化。發展至今,AI應用已從測試階段逐步應用於各式產業,資策會統計發現,掌握AI技術的新創企業在台灣有300家,逐漸摸索出不同的商業策略與獲利模式。

尤其資通訊、醫療照護是台灣兩大擁有頂尖人才的雙軸產業,在疫情之下,就可以看到醫療+科技所衍生的智慧型代理人應用。像是過去為了解決醫療量能不足,開發「5G智慧防疫機器人」,用來隔離病房消毒、運送餐盒及藥品物資,比傳統人力消毒方式有效節省50%時間,還能降低醫護人員感染風險,讓醫事工作更有效率。

關鍵科技四、資訊安全網保護每個人數位資產

我國面臨網路犯罪、駭客入侵政府、機關,甚至竊取個人資料事件持續增加,如何保護國民安心使用數位科技、保障財產安全將是未來重要方向。隨著AI普及所衍生的龐大資料量之隱私及資安問題,成為棘手的挑戰。從國際AI資安發展現況來看,歐盟在2021年提出人工智慧規則草案(Artificial Intelligence Act),鼓勵值得信賴且道德的AI進行研發與應用。微軟更在今(2022)年禁止提供AI推測情緒技術,並制定「負責任AI標準第二版」、Google則停止AI機器人具有自我意識、能與人類溝通等爭議事件,這些做法也都反映美歐在立法之際,業者也在努力自行節制敏感AI技術。

AI資安,是挑戰也是機會。未來,台灣政府與企業也須密切關注美歐相關草案的立法動態,找出AI規範的共同點,以此界定使用AI產品與服務之要求;因此,AI資安不僅需透過科技來防禦,更需要治理與法規,降低AI所帶來的衝擊。

另外,針對5G資安議題,台灣有展開大型科技防禦策略,包含5G資安防護系統、跨機關資安聯防。5G資安防護系統致力確保業者使用的5G系統具備安全、可靠、信賴,與國內5G專網業者進行服務驗證,以強化國產5G系統的整體資安防護能力。跨機關資安聯防的目標放在建立政府與民間的資安聯防體系,藉由橫向整合跨部會,全面提供威脅情資,減少機關隱匿資安事件,降低事件誤報與漏報。

持續提升台灣的科技能量 打造全方位的智慧國家

圖片資料來源:IMD 2022 世界競爭力年報

台灣的科技能量持續提升,從2022年的IMD世界競爭力年報可發現,而且該報告還指出我國擁有高素質勞動力、經濟活力、企業治理能耐、高教育水準等優勢。上述四項與智慧國家高度關聯的新興科技,涵蓋「數位基盤、數位創新、數位包容」等元素,如何借助科技打造創新、包容的社會,在台灣強勁的科技應用產業鏈上,補強創新的能量,並延續發展優勢項目,將是台灣要持續努力的方向。

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