人物特寫 〉「國家講座主持人」系列十一:清華大學通訊工程研究所特聘講座教授張正尚-終身成就獎東亞第一人
2017-11-09

IEEE INFOCOM終身成就獎素有全球通訊網路領域最高榮譽之稱,要獲得這個獎項有多難?從東亞學者至今無人取得,即可窺見競爭之難度。

今年,2017 IEEE INFOCOM終身成就獎落臺灣,由清華大學通訊工程研究所特聘講座教授張正尚,以其數十年來在網路通訊領域累積的貢獻,包括通訊網路理論、高速交換機和光佇列研究等,於15位獲得提名的重量級學者中脫穎而出。

張正尚也是教育部第15屆國家講座主持人暨第55屆學術獎得主,儘管多項榮耀加身,張正尚始終將自己的成就歸功於天時、地利、人和,「我的大學時期正是Apple II電腦問世之時,之後網路時代來臨,我很幸運能躬逢其盛,開始一頭栽進這個前無古人的領域,才有了創新各種技術的可能。」

網路萌芽,研究熱情迸發

當時,網路通訊研究初萌芽,有太多未知領域待探索,這也代表許多困難並無前人經驗可為借鑑,「挑戰愈大,我愈有熱情,於是我決定投入網路通訊研究。」年輕的張正尚確定一生志向後,他告訴自己,「我要做能影響全世界的事。」

張正尚1989年在美國哥倫比亞大學取得電機博士後,進入IBM工作,在此後的4年期間,他專注研究隨機平衡(Stochastic Majorization)和等效頻寬理論(Effective Bandwidth),並解決了當時困擾大家許久的最大難題之一:到底該如何「提供網路品質保證」?

「我在一個研討會聽到4位來自麻省理工學院的教授反覆說明此問題的困難,這就激起了我的鬥志,之後,基於自己的研究成果,我花了一個星期的時間就找出解決之道。」張志尚因為這項研究成果贏得「IBM傑出創新獎」。

初試啼聲,他在回臺任職於清大後,更進一步建構出完整的網路系統理論,「由於網路是新興領域,所以還沒有建構出完整的理論架構,而這會阻礙網路通訊的進展。」於是,延續IBM時期的研究,張正尚在1997年提出被譽為「網路計算工具(Network Calculus)」的網路系統理論。

網路流量不塞車

網路計算有多重要?我們可從應用層面來窺知。例如,討論熱度愈來愈高的無人車,這個夢幻應用的實現,奠基於高品質的網路訊號傳輸,因為網路訊號一旦中斷,就可能釀成無法挽回的大禍。要做到網路不斷線,需仰賴的就是網路流量的精密計算和分配,如此才能持續穩定交換與傳輸,提升服務品質,這就是「網路計算工具(Network Calculus)」之大用。

張正尚於1997年提出網路系統理論,20年後的無人車發展及許許多多的相關應用仍需借重此一理論,更遑論之前的諸多網路通訊研究,皆或多受到啟發,此理論早已被公認是現代通訊網路分析、高速網路研究的基礎所在,尤其是在張正尚將此一理論和等效頻寬理論寫成研究專書《Performance Guarantees in Communication Networks》,由Springer-Verlag於2000年出版發行後,其所擴散出的影響力更是無遠弗屆。

「雖然書中的數學理論艱深難懂,但是可能就有某個研究者,在某個時刻,因為讀了我的書而獲得啟發,進而實現某個方面的突破。」這是張正尚願意投入大量心血將研究心得及成果撰寫成書的原因之一。此後,張正尚並出版《Principles, Architectures and Mathematical Theories of High Performance Switches》一書,近日亦計畫進行改寫。這本書談的是張正尚另一項被史丹佛大學教授Nick Mckeown譽為「已為高效能、高速率的交換機跨出重要的一步」的研究成果 : 布可夫-范紐曼(Birkhoff-von Neumann)高速交換機的理論及架構。

邁頂計畫挹注讓研究加速

除了通訊網路理論的研究外,張正尚於1999年從事高速交換機的研究,「我真的很感謝清大給我一個很好的研究環境,我有很棒的研究夥伴,能和許多聰明人共事是很幸運的事,我也很慶幸自己能夠獲得幾項大計畫提供的豐富資源。」在訪談中,張正尚多次感謝自己身邊的人事物。

因為當時的矽導計畫、邁向頂尖大學計畫的挹注,張正尚得以在清大組成高速交換機研究團隊,成員涵蓋清大教授及研究生,多達30餘人。張正尚領導團隊一路從理論架構,晶片設計至系統合成,完成了世界上第一個布可夫-范紐曼交換機的原型機,「一個交換器晶片的下線(tape out)可能就要花上1~2億臺幣,沒有當時各項計畫的支援,這項計畫很難做出成果。」張正尚說。

所幸這項耗資龐大的研究達到全球矚目的成就,整體而言,這項研究的重要性就有如是為全球網路高速交換技術開啟了新的可能,讓更多的研究單位,甚至是企業得以進一步開發出更進階的高速交換機設備。

張正尚在研究路上始終未曾停下腳步,在一連繳出兩大影響整個網路世界的重大研究成果後,隨著光通訊時代的來臨,他又摩拳擦掌地想要解決一個大痛點,「全光信號通訊具有高速、寬頻及保密性等優點,無疑是未來通訊網路的發展重點,但是光電轉換產生的延遲及耗能是光通訊的致命傷,」張正尚說明問題癥結及他的解決之道,「我認為得創造一個實用的光佇列元件,也就是要能讓光封包訊號依序排隊傳送,才能解決這個問題。」

於是,張正尚領導研究團隊投入光佇列的研究,並已有突破性的理論成果,第一篇長篇論文被收錄於2004年IEEE Transactions on Information Theory,並於2006年獲得第四屆有庠科技論文獎。後續的另一篇論文亦於2007年獲得第五屆有庠科技論文獎。

繼續探索人工智慧

張正尚的每一次出手,都猶如在對網路通訊領域此一大池中投下一顆大石,影響力就如一圈圈漣漪般擴散出去,所以,很多人都很關注他的下一步,而他本身所抱持的永不停息的好奇心,也驅使著他探索下一個未知領域,「我對人工智慧很有興趣,而這和我之前的一系列研究是一脈相承的,所以,接下來我會投入人工智慧網路的研究。」

張正尚的研究命題之一就是「深度學習的數學理論之研究」。他並衷心提出建言,「人工智慧的應用層面極廣,進入門檻並不高,所以政府應該鼓勵年輕人多多投入,這會是臺灣立足未來的機會。」

走在科學研究的路上,張正尚從來不曾躊躇;提攜後進,他更是不遺餘力,他希望藉由自己對於研究的孜孜不倦,能為年輕人創造更多的機會,「臺灣的年輕人值得更好的機會。」這是他的語重心長。

談到自己的人生觀,他說每個階段都有不同的想法,「現在的我已經沒辦法像年輕時那般拚命了,但是我還是每天持續投入研究,接觸新知識。」張正尚現在信奉的格言正是「自強不息」,可以想見,今後的他仍會持續貢獻,為臺灣的人工智慧研究在全球舞臺上闢得一方天地。

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