學術貢獻 〉工程及應用科學領域-第二十六屆國家講座主持人/清華大學通訊工程研究所專任講座教授/張正尚-用數學天份解決複雜網路流量問題,張正尚二度獲全國大獎
2023-7-03

網路已在我們的日常裡不可或缺,從手機、即時通訊、網路電視影音、無人駕駛、人工智慧,幾乎一切都與網路相關。清華大學通訊工程研究所特聘講座教授張正尚,作為這方面的超級專家,二度榮獲第二十六屆國家講座主持人獎,然而對此,他總是很謙虛的說:「我很幸運。」

成長在中南部的張正尚,性格質樸,從小就是屬於認真讀書的性格,從未讓家裡人擔心過,雖然在資源與家境相對不富裕的環境裡長大,仍一路從建中考上臺大、再到美國留學,這也說明了為何「自強不息」是他的座右銘,更巧的是與他任教的清華大學的校訓相符。

升大學時,原先他考上臺灣大學造船系,唸了一年後,覺得志不在此,剛好當時教授也鼓勵他轉系,一九八零年代正洽逢Apple II電腦剛剛問世,因此他轉入臺大電機系,大三的時候還和同學共組了電腦研習社,一同研究讓兩台Apple II電腦可通訊連線的方式。

「過去的連線比較單純,現在的網路連線就非常複雜,需要許多的網路計算。」張正尚解釋,網路計算在通訊網路領域非常重要,「這牽涉到網路流量的精密計算與分配。」這也是他後來一頭鑽進研究通訊網路領域的開始。

談到網路流量計算和數學的相關性,從國中開始數學就不錯的張正尚,自己也很有熱忱,國中老師看見張正尚的資質優良,還會把一些程度比較深的測驗卷或參考書送給他練習。到了高中,微積分他幾乎已經都提前學完了。「網路計算之所以重要,跟數學很有關係。」張正尚說,現在大家所熟知的4G、5G、6G,其實就是數學,可以說「通訊相當於數學」。

在張正尚唸大學的時代,正是網路時代的開始,基於對未知領域的好奇,加上臺大師長的鼓勵,他想到美國繼續攻讀博士學位,不過由於留學費用高昂,幸運地在臺大李琳山教授、張進福教授、李學智教授等三位恩師的鼓勵與推薦之下,順利取得獎學金,到美國哥倫比亞大學電機工程系繼續深造,並以四年的時間就取得博士學位。

在哥大求學期間,張正尚展現出他在數學方面的天份,解決了一個已經懸而未解十多年的「猜想」:當網路流量越大時,網路系統的效能就越差。而張正尚則用數學理論,在他的博士論文裡證實了這個「猜想」。

研究成果為通訊網路界墊下基石

畢業後,張正尚被美國IBM研究中心錄取,留下工作。「在IBM研究中心裡,都是全球最頂尖的研究人員,我能順利錄取真的是幸運,還要非常感謝當年哥倫比亞大學的指導教授們的極力推薦。」張正尚在IBM的四年期間,主要研究的主題是:「隨機平衡」(stochastic majorization)和「等效頻寬理論」(effective bandwidth)。「隨機平衡」這項研究成果,也為他贏得了「IBM傑出創新獎」。

在美國前後待了八年,後來因為母親退休,他為了陪伴家人而返臺,進入清華大學任教。回臺後,張正尚繼續在美國IBM研究的「等效頻寬理論」,並於一九九七年在清華大學正式提出發表「網路系統理論」。「網路系統理論」和「等效頻寬理論」後來成為網路通訊裡非常重要的理論,尤其是「網路系統理論」更成為網路通訊分析的重要基石,而這兩大理論也被稱為「網路計算工具(Network Calculus)」,後來還將其研究寫成專書《Performance Guarantees in Communication Networks》。

「當我們使用各種網路應用若覺得卡卡時,有很多複雜的因素,網路流量的分配往往是關鍵,若能透過精密計算分配網路流量,就能夠在過程中保持訊息傳輸與交換的穩定,也達到網路服務品質的保證。」張正尚表示,就像無人駕駛就需要非常穩定網路流量傳輸,若是網路服務品質無法保證,那會造成很嚴重的結果。

努力是必要,能被選擇是運氣

在通訊網路領域,張正尚貢獻卓越、獲獎無數,二○一七年榮獲全球通訊網路領域權威IEEE INFOCOM的終身成就獎,這不只是全球通訊領域最高榮譽獎,他也是十幾年來首位得獎的東亞學者。

對於獲獎,張正尚謙虛地歸功於老天眷顧。他認為,努力是必要的。但是人生的際遇很多時候是需要天時、地利、人和。「能被選擇到是一件很重要的事。因為被看到了,所以有這個機會。就像當年能錄取進入IBM 研究中心,就是能有被選擇中的機會,我覺得這就是運氣。」

張正尚的研究成果還包括:「布可夫|范紐曼交換機」(Birkhoff-von Neumann)、「光佇列」(Optical queues)。「我非常感謝清華大學的教學環境,以及校方和許多教授、研究團隊的支持,才能讓很多研究有了今天的成果。」張正尚於一九九九年開始進行高速交換機的研究,提出了一系列「布可夫| 范紐曼交換機」的架構,這在高速網路交換技術的研究領域中,宛如開展新頁,從理論架構、晶片設計到系統合成,完成全球第一個布可夫|范紐曼交換機的原型機。

而「光佇列」的部分,談的是能讓光封包排隊的機制,張正尚與同為清華大學資訊工程學系教授李端興的研究團隊,共同發現以一種遞迴的方式引導光封包self-routing。

對於下一階段的研究,張正尚也正在著手進行有關AI人工智慧相關的研究計畫,「大數據、機器學習都會是未來的發展趨勢。」他認為,尤其是在ChatGPT出現後,對整個人類社會將會造成很多影響與變革。「科技趨勢無法擋,如何在這過程裡取得平衡非常重要!」張正尚提醒。
在繁忙的研究工作中,張正尚的解壓方式是走路、看電視。「年輕時體力好,打桌球是我最愛的運動,現在就是散步,還有喜歡看電視,後者對我的腦袋來說是雜訊,能刺激我思考。」他說,其實作為學者,腦中的思考,是不斷的進行式,很多時候就是轉換不同的場景與刺激,也算是一種放鬆。

面對科技迭代更新,張正尚仍舊用他自己的座右銘:「自強不息」鼓勵年輕人,唯有一步一腳印打穩基礎,尤其要進入資訊相關領域,無論做研究或工作,要有一定的寫程式能力,「努力是必然,才能有實力去證明別人看見的你是值得的。」


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