96 年度國科會資訊一學門規劃報告

1. 96年度國科會資訊一學門規劃報告 謝錫堃 成大電機系教授

2. 學門規劃目的 • 檢視各次領域的研究現況與發展趨勢，提供新進人員研究方向之參考 • 了解未來幾年資訊科技之創新研究課題，作為國科會推動資訊研發之參考 • 集結國內有限資源，規劃出對學門發展最有利之研究重點與分工合作模式 • 加強資深研究人員與新進人員的互動，加速研究人才之培育及研究成果質與量的提升

3. 工作組織 • 召集人 • 成功大學 謝錫堃 教授 • 居中協調，統整各領域規劃報告 • 領域規劃召集人 • 共6大領域及一個核心技術研發專案，每個領域或專案有1~2位召集人 • 邀請領域規劃委員，召開領域規劃會議，收集及整理研究現況與發展趨勢，撰寫領域規劃報告

4. 領域規劃內容結構 • 領域規劃重點議題 • 主題概述 • 世界發展之趨勢 • 我國發展現況 • 關鍵研究課題 • 主題參考文獻 • 領域研究議題概括 • 已發展成熟之研究議題

5. 領域規劃項目 • 計算機結構與作業系統 • 程式語言與軟體工程 • 計算機網路 • 計算理論與演算法 • 網路普及與計算 • 資訊安全 • 嵌入式系統-核心技術研發

6. 計算機結構 參與人員 國立交通大學 鍾崇斌教授 國立成功大學 陳中和教授 國立中山大學 黃英哲教授 國立台灣大學 楊佳玲教授 國立中正大學 陳添福教授

7. 領域概述 • 傳統研究重點 • 高效能系統架構 • 可擴充性系統架構 • 新興研究重點(SOC 、嵌入式應用) • 多核心架構 • 嵌入式系統 • 新興應用

8. 主要研究課題 • 主題A：計算機結構核心技術 • Processor Architectures • 指令集架構設計(instruction set architecture) • 多工作線架構設計(multithreading architecture) • 多核心處理器：同質型及異質型 • 多媒體運算架構設計 • 容錯設計 • Memory Systems • 可擴充性記憶體設計(Scalable memory architecture for multicores) • 記憶體一致性模式之研究(Memory consistency) • 共享式及分散式記憶體架構設計(Multicore Shared/Distributed memory) • Architectural Support for Power Efficiency • 低耗電之記憶體元件設計 (low-power memory design) • 低耗電之記憶體階層架構設計(low-power memory hierarchies) • 動態電壓調整(dynamic voltage scaling) • Architecture, Compiler, and OS Optimizations • 編譯器層級的電源管理(Power management support for compilers) • 多核架構之作業系統優化設計(OS optimization support for multicore) • 多核架構之動態優化設計(Run-time optimization for multicore)

9. 主要研究課題 • 主題B：系統晶片架構整合與方法 • Multiprocessing SOC Architectures • 處理器內部通訊（Inter-Processor Communications；IPC) • 晶片多處理器系統共享記憶體：shared memory,、low-power cache coherence • 可調式多處理器系統(Reconfigurable and embedded MPSOC) • 特殊簡省同步複雜度之硬體或記憶體設計 • On-Chip Interconnection Networks • 晶片內網路架構(Network On Chip-NoC) • 晶片內網路電源管理(Power management with NOC) • 傳輸偵錯與除錯(NOC fault tolerance and crosstalk avoidance) • 多處理器晶片連結網路(High-speed interconnection network for multicore) • SoC Integration Methodology • 電子系統層級設計(Electronics System Level: ESL):SOC軟硬體整合 • 軟硬體共同設計與驗證：hardware/software codesign and cosimulation

10. 主要研究課題 • 主題C：新興技術與應用之架構 • Media/Graphic Processor Architectures • 支援audio, video, communication, network protocols 等軟硬體設計 • 多媒體處理器指令集 • 低功率Media/Graphic Processor設計及效益成本架構 • Application-Specific, Reconfigurable, and Embedded Architectures • 使用處理器與 FPGA 建構高性能計算系統或平台 • FPGA-based massive multi-processor system • 系統發展工具包括 parallel, reconfigurable, debugging, and performance profiling tools. • 特定高速運算單元、浮點單元在FPGA 上實現的架構 • Architectures and Systems for Resource Virtualization • 資源虛擬化架構 (Architecture for resource virtualization) • 虛擬化機器技術(Virtualization technologies, light weight virtual machine monitor, virtual machine security, and availability) • 虛擬化之硬體架構支援(Architectural support for virtual machines) • Architectures for Emerging Applications

11. 作業系統 參與人員 長榮大學 蔡尚榮 清華大學 黃泰一 台灣大學 郭大維 暨南大學 姜美玲 交通大學 張立平

12. 主要研究課題 • 主題A：File and Storage Systems • 廣域網路檔案系統 • 效能評比與測試工具 • 異質媒體的混合使用策略 • 主題B：Performance and Scalability • 模型及預測 (Modeling and Prediction) • 量測及模擬 (Measurement and Simulation) • 理論分析 (Theoretical Analysis) • 延展性 (Scalability)

13. 主要研究課題 • 主題C：Large Scale Distributed Systems • 分散式共用記憶體(Distributed Shared Memory) • 分散式多媒體研究 (Distributed Multimedia) • Web上分散式計算環境之研究 (Distributed Computing Environment on the Web) • 叢集式計算(Cluster Computing) • 分散式貯存系統(Distributed storage system) • 點對點運算(peer-to-peer computing) • 無線感應器網路 (wireless sensor network) • 主題D：Real-Time Operating Systems • 即時程序排程 (Real-time Task Scheduling) • 即時作業系統實作 (RTOS Implementations)

14. 主要研究課題 • 主題E：Power-Aware Design • 處理器之能源效率排程 (Energy-Efficient Scheduling over Processors) • 考量週邊能耗之功率及能源感知設計 (Power and Energy-Aware Designs with the Considerations of Peripherals) • 作業系統之省電即時同步排程協定設計 (Energy-Efficient Real-Time Task Synchronization Protocols of Operating Systems) • 系統元件設計及實作 (Designs and Implementations of System Components) • 功率及能源感知網路設計 (Power and Energy-Aware Networking Designs)

15. 主要研究課題 • 主題F：Dependable Systems（可靠系統） • 系統軟體可靠性 • 容錯編碼 • 計算可信賴度 • 惡意攻擊偵測與隔離 • 主題G：Virtual Execution Environment • Hardware Virtual Machine • Application Virtual Environment

16. 程式語言 參與人員 交通大學 楊武 清華大學 李政崑 海洋大學 黃元欣 政治大學 陳恭 臺灣師範大學 黃冠寰

17. 領域規劃重點與世界先進研究: 程式語言原理(Principles of Programming Language) • 程式語言設計(Programming language design) • 支援良好程式設計方法 • 模組化;元件化;平行機制 • Software transaction memory, MIT [Touitou PODC 1995] • Synchronization language for embedded system , Berkeley [Lee EMSOFT 2007] • Cyclone:  a type-safe dialect of C, AT&T [Morrisett 2005] • 型態系統(Type system) • 減少型態錯誤及型態檢查 • 型態安全保證及執行效能提高 • 多元型態以提升語言表達能力 • Type-safe assembly language, Cornell [Glew POPL 1999] • Generalized algebraic data types, Microsoft, U.K. [Kennedy OOPSLA 2005] • 程式分析(Program analysis) • 靜態分析以預測執行期之性質 • 動態分析以蒐集執行期之特定資料 • Memory leak detection, Stanford [Heine ICSE 2006 ]

18. 領域規劃重點與世界先進研究: 程式語言原理(Principles of Programming Language) • 程式轉換(Program transformation) • 特定目標轉換程式結構 ;對程式作部份取代或修改 • 從高階(high-level)規格逐次轉換 • 產生具特定性質之程式碼 • Context-sensitive domain-independent algorithm composition and selection, Purdue [Eigenmann PLDI 2006] • 程式語言的安全系統(Security mechanism) • 提高程式語言安全架構 • 增加對網路攻擊之抵抗能力 • 支援服務導向架構(Service oriented architecture) 之相關安全模式 • Finding security vulnerabilities in java applications, Stanford [Livisits USENIX 2005] • 特定領域語言(Domain specific language) • 語言層級支援特定工作之描述 • 協助一般語言描述複雜工作 • 利用語言之規格準確且迅速解決特殊領域之問題 • Streaming language: Brook, Stanford [Gummaraju MICRO 2005]

19. 領域規劃重點與世界先進研究: 編譯器最佳化技術(Optimizing Compilers) • 低功率編譯器(Low-power compiler) • 善用硬體機制支援動態頻率調整;提供資訊于作業系統改變工作電壓 • 程式於低耗能狀態下於預定時間內完成工作 • Compiler-directed channel allocation for saving power in on-chip networks,PSU [Chen SIGPLAN 2006] • 嵌入式編譯器 • 高效能、低耗電之平衡; 支援資料平行化; 快速移植技術以支援處理器之多元化 • PACC, NTHU [Lin LCPC 2005] • Register allocation for irregular register file, NTHU[Lin CPC 2007]

20. 領域規劃重點與世界先進研究: 編譯器最佳化技術(Optimizing Compilers) • 多核心編譯器 • 有效建立多核間之溝通與工作分配; 多核心最佳化 • 編譯器於程式碼之平行化 • Octopiler for Cell, IBM [Eichenberger2005] • 先進編譯器分析 • 多處理器之有效利用 • 共用記憶體及快取之最佳化 • Probabilistic pointer-to analysis, NTOU, NTHU[Chen SIGPLAN 2003] • 及時編譯器及Java虛擬機器 • 提供軟體相容性; 增進可攜性 • 虛擬化技術之最佳化 • Cross-platform optimizations for a java just-in-time compiler, IBM [Ishizaki OOPSLA 2003]

21. 關鍵研究課題: 程式語言原理(Principles of Programming Language) • 程式語言設計(Programming language design) • Modularity • Paradigm integration • Concurrency model • 型態系統(Type system) • Type polymorphism • Typed intermediate language • Type-directed compilations • Type-based program analysis • 程式分析(Program analysis) • Abstract interpretation • Control flow analysis • Dynamic analysis • Security analysis

22. 關鍵研究課題: 程式語言原理(Principles of Programming Language) • 程式轉換(Program transformation) • Program derivation • Program specialization • Generative programming • Staged computation • 程式語言的安全系統(Security mechanism) • Type safety • Code certification • Proof carrying code • Program analysis for security flaw detection • 特定領域語言(Domain specific language) • Reliability, portability, reusability, and quality guarantee • Abstraction for specific problem domain • Streaming language for multi-core architectures • Graphic rendering • Parallel programming

23. 關鍵研究課題:編譯器最佳化技術(Optimizing Compilers) • 低功率編譯器(Low-power compiler) • Compiler for low-power • Compiler for reducing heat dissipation • Low-power programming APIs • 嵌入式編譯器 • DSP compiler optimization • Compiler for distributed register files • Compiler for code size optimization • Library optimization • 多核心編譯器 • Compilation for multi-core architectures • Compilation for heterogeneous cores • Compilers for transactional memory • Optimization for multi-threaded architectures

24. 關鍵研究課題:編譯器最佳化技術(Optimizing Compilers) • 先進編譯器分析 • ADL(architecture description language)-based infrastructures • Fast proto-typing code generation • Compiler for ILP and VLIW • Link-time optimization • Feedback compilation • Binary analysis • Probabilistic data-flow analysis • 及時編譯器及Java虛擬機器 • Just-in-time compilation • Virtual memory support • Binary translation

25. 軟體工程 參與人員 東海大學 朱正忠 成功大學 朱治平 中央大學 李允中 交通大學 王豐堅 中央大學 陳振炎 中山大學 鄭炳強 台灣科大 鄭有進 成功大學 焦惠津

26. 主題 A: 軟體流程技術(Software Process Technologies) • 主要研究課題 • CMMI軟體作業規範技術 • Work-Flow Engineering

27. 主題 B: 現代軟體工程技術 (Modern Software Engineering Technologies) • (Component/Agent/Aspect based)軟體工程技術 • Software Maintenance and Evolution • Agile Method/Extreme Programming 敏捷軟體工程方法 • Testing Driven Methodology • Integration Method/ Development Environment/ Visual programming environment/ tools • Model Driven Development • Framework /Architectures /Pattern

28. 主題 C: 嵌入式系統軟體工程 (Software Engineering for embedded systems) • Embedded System Software Architecture & Analysis • Embedded system Modeling • Performance-critical Systems Design • Software System Engineering for Embedded Systems

29. 主題 D: 軟體品質技術(Software Quality Technology measurement) • 軟體品質模式與度量指標 • Software Quality model (dependability/availability/reliability) • 軟體測試技術

30. 主題 E : 其他 • Software Engineering Education • Empirical software engineering

31. 計算機網路 參與人員 成功大學 鄭憲中 交通大學 曾煜棋

32. 有線網路 • Optical networks • 光交換機（optical switches） • IP-over-WDM • 繞徑及波長分派（routing and wavelength assignment） • Broadband networks • 不同寬頻接取網路技術之整合與應用，如FTTx整合PLC的寬頻服務，四合一寬頻整合服務（Quadruple play，寬頻網路存取、有線電視、電話以及行動網路） • 寬頻接取網路中VoIP（Voice over IP）與IPTV之應用與研究 • 宽頻接取網路之QoS（Quality of Service）研究 • 寬頻接取網路之安全研究 • 寬頻接取網路之穩定性研究 • 寬頻接取網路之網路管理技術與SLA（Service Level Agreement）研究 • 寬頻接取網路相關技術之單晶片設計與應用 • 寬頻接取網路與Home Gateway整合與發展

33. 有線網路 • Internet protocols • 下一世代網際網路協定設計（Next generation internet protocol - clean-slate design) • 跨層網際網路協定設計（Cross layer design） • 支援新服務之應用層協定（Application protocols for accessing new services） • 強化傳輸層協定設計（Enhanced transport layer protocols） • 網際網路層（Internet layer） • 媒體存取層（Enhanced MAC protocols） • High-speed switching technology • Packet Scheduling • Buffer Management • Packet Classification • Crosspoint Buttered Switches • Load-balanced Switches • All Optical Switching

34. 無線網路 • Wireless communications • Wireless PAN (WPAN) • Wireless LAN • Wireless MAN (IEEE 802.16) • Cellular Network • Wireless ad hoc and mesh networks • 網路安全(Security) • 認證與連接控制(Authentication and access control) • 重疊網路(Overlay networks) • 自我組織的網路架構(Self-organized network architectures) • 效能分析與模型方法(Performance analysis and modeling) • 能源與系統資源管理(Energy and resource management) • 多媒體與服務品質的傳輸(Multimedia/QoS communications, routing and multicasting) • 具適性之網路拓樸管理(Adaptive topology management) • 創新應用(Novel applications)

35. 無線網路 • Wireless sensor networks • 感測點(Sensor Node)及收集點(Sink Node)的設計及實作 • 媒體傳輸層通訊協定 • 網路層通訊協定 • 低成本且精準之定位技術。 • 具Full-Coverage及網路連通性之Network Deployment及Redeployment技術。 • Data-Centric 查詢及資料儲存技術。 • 容錯及資訊安全技術。 • 作業系統之開發及程式開發與測試環境。 • 無線網路應用系統之雛形設計、系統開發、效能分析及推廣。

36. 應用 • Peer-to-peer networks • P2P的infrastructure (overlay)有效而自主地建立。 • P2P網路中resource discovery (search), routing等問題。 • P2P網路中peer大量、快速加入、離開的問題(churn)。 • Large scale P2P系統實際運作與效能分析。 • P2P在4G環境的實現技術(MANET, WiFi, WiMax, All-IP heterogeneous networks)。 • 各類P2P應用技術，如file sharing, video on demand, live video streaming, VoIP, on-line game, etc。 • P2P實作或模擬工具(platform)。 • Digital home, digital life • Home Network 通訊協定設計 • Wireless Home Networking 研究議題 • Platform for Multimedia at Home • Home Multimedia Applications • Applications for Digital Life

37. 計算理論 參與人員 台灣大學 顏嗣鈞 中研院資訊所 王柏堯 台灣大學 莊裕澤 中研院資訊所 呂及人

38. 規劃重點 • 計算理論邏輯基礎 • 王柏堯 • 分散式計算理論 • 莊裕澤 • 計算複雜度 • 呂及人

39. 計算理論邏輯基礎 • 主題概述 • 邏輯為數學提供嚴謹的演繹方法，同時也提供資訊科學分析的基礎 • 在理論上，許多計算現象尚未在數理邏輯中討論，新的邏輯和分析技巧便應運而生 • 在實用上，許多邏輯分析方法已被自動化，並應用於數學定理證明以及軟硬體工業上

40. 重點議題 • 計算邏輯 • 古典邏輯無法精簡地描述計算現象，如時態、不確定性等 • 有限模型理論 • 電腦系統是有限模型，傳統模型理論不再適用 • 賽局理論之應用 • 邏輯問題可以藉由賽局理論來解決

41. 重點議題 • 自動化定理證明 • 應用證明理論，讓程式檢查複雜的數學證明 • 模型檢驗與自動驗證 • 應用模型理論，以檢驗計算模型上之性質

42. 世界發展趨勢 • 計算邏輯 • modal logic, temporal logic, descriptive logic • 有限模型理論 • descriptive complexity, database query language • 賽局理論之應用 • Ehrenfeucht-Fraïssé games

43. 世界發展趨勢 • 自動化定理證明 • program verification • 模型檢驗與自動驗證 • compositional reasoning, abstraction

44. 我國發展現況 • 從事此領域之研究人員不多但與國際交流密切 • 所創立之國際會議ATVA，已在台北、北京、東京舉行，2008年將於首爾舉辦。 • 曾邀請Turing award得主Amir Pnueli、美國工程院士Edmund Clarke及Moshe Vardi來台訪問 • 主要研究領域包括 • fuzzy logic, model checking, timed systems, functional and program verification

45. 關鍵研究課題 • 計算邏輯 • combined decidable theories, separation logic • 有限模型理論 • UML schemata verification and validation

46. 關鍵研究課題 • 賽局理論之應用 • unified theory for decidability and complexity results • 自動化定理證明 • integration of external decision procedures • 模型檢驗與自動驗證 • SMT, abstraction and refinement

47. 分散式計算理論 • 主題介紹 • 分散式系統(Distributed Systems) • 汎指系統元件並非集中於單一主機上，而是分散於不同的地方，透過網路或其他通訊方式，相互協調運作，而達到某一設定之運算目的 • 分散式計算(Distributed Computing) • 汎指研究分散式系統相關的基礎問題，包括分散式演算法、模型與分析、系統架構、系統安全與容錯、網路與相關議題等等。

48. 主要研究課題 • 分散式演算法(Distributed Algorithms) • 模型與分析(Modeling and Analysis) • 系統架構(Architecture) • 系統安全與容錯(Security and Fault-Tolerance) • 網路與相關議題(Networking and Related Issues)

49. 關鍵研究課題 • distributed algorithms, analysis and complexity • resource management and scheduling • fault-tolerance, reliability and availability • self-stabilization and self-organization • specification, semantics, verification, and testing of distributed systems • specification and verification of security protocols

50. 關鍵研究課題 • experiments and performance measurements in distributed systems • high-performance, cluster, and grid computing • location- and context-aware networks • distributed computing issues in the Internet and world-wide web • sensor, mesh, and ad hoc networks • peer-to-peer systems and overlay networks • economical aspects of distributed computing, selfish agents