华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

IM2MakerOpr 2个月前 (11-26)

“我们可能了解过去,但无法控制它;我们可能会控制未来,但对此一无所知。”

华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

本文转载自公众号:大数据文摘(ID:BigDataDigest),刘俊寰、段越编译

“七月的深圳,天气很热,树木生机盎然……”

在2018年的视频中,华为以上个世纪60年代的教育影片风格记录了一次企业活动。

这次活动的举办地点在华为深圳坂田总部的“三角地”,这是华为接待最尊贵客人的地方。

7月26日,华为高管纷纷聚集于此。当天,华为创始人兼首席执行官任正非身穿天蓝色西装外套和白色卡其裤,在一段严肃的发言之后,他登上领奖台,把一块沙拉盘大小的带框金牌授予了一位土耳其人

这位土耳其人不是世界领袖、亿万富翁,也不是战争英雄,甚至,他的名字对很多人来说都十分陌生。整场活动,他都一直僵硬地坐在凳子上,穿着不合身的西装,看上去就是一个吃瓜群众,然后,他就登上了领奖台,接受着世界的注目。

这位土耳其学者名叫ErdalArıkan

华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

说到ErdalArıkan,可能很多人还不是很熟悉,但是一提到5G,相信已经无需赘述,随着苹果姗姗来迟地推出支持5G的iPhone12系列,越来越多的人已经用上了5G套餐。

华为5G的秘密,正是来自于ErdalArıkan

十年前,ErdalArıkan在信息论领域取得了重大发现,华为从中摘取了理论性的突破之处,并投以投资巨额和顶尖的工程人才,试图将这个理论落地成具有商业价值的东西。经过了多年的努力,以及必要的谈判,如今,这项技术以5G的面貌呈现在了世人面前。

华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

过去30年间,华为在世界的崛起被普遍视为中国在科技创新领域的重大突破,或许,再也不会有任何一家公司在国内受到热烈追捧的同时,在美国遭遇如此重大的滑铁卢:5G发展受阻、芯片断供,到最近荣耀系列被剥离。

即使华为拥有世界上最强大的技术力量之一,也从不吝惜在科研上的资金投入,但是欧美国家的同行对华为的认可程度似乎一直不怎么高。

好在,华为一直在以自己的方式解决这些问题。当任正非把这块法国造币厂制作的纯金奖牌交给ErdalArıkan时,仿佛他也在戳西方同行的眼睛。

现在,我们也是时候深入了解一下ErdalArıkan和他的极化码了。

“学信息论,我就是要去MIT”

ErdalArıkan于1958年出生,在土耳其西部长大,是一名医生和家庭主妇的儿子。

他热爱科学,十几岁时,他的父亲说,在他的职业中,二加二并不总是等于四。Arıkan对父亲的这个说法深感困惑,长大后,他决定不从事医学行业,转而去工程学寻求数字精确化带来的安慰和确定,“我喜欢精确的东西”,“结果总是在你的意料之中”。

怀着这样的热情,Arıkan进入了中东技术大学的电气工程专业。但在1977年,也就是他刚入学的第一年,该校因种种原因遭到了学生们的强烈抵制。在这样的环境下,Arıkan凭借着出色的成绩转学到了加利福尼亚州帕萨迪纳市的全球顶尖的科学机构之一CalTech,在入学的前几天,他参加了一场由传奇物理学家费曼主持的介绍会,“这种感觉就像被圣人祝福了一样”。

在CalTech学习期间,Arıkan全身心地投入到了课程中,尤其是信息论。当时,这个领域还很年轻,距离Claude Shannon正式创立才过去不到30年。

香农的成就是了解如何量化模糊的信息概念,从而创建了一门扩展通信和数据存储视野的学科。通过发布一种通用的信息数学理论,香农为互联网、移动通信以及数字时代的其他一切奠定了基础。

信息论的相关研究一直吸引着Arıkan,在CalTech完成了学业后,他决定前往MIT继续进行信息论的研究,至于原因,Arıkan说:“因为Bob Gallager在那儿。”

“如果要做信息理论,MIT才是我应该去的地方。”

1981年,Arıkan到达MIT时时,Gallager转移了工作重心,开始专注于数据网络的运作方式。Arıkan第一次去Gallager办公室时,他紧张到发抖。Gallager给了他一篇关于分组无线电网络的论文。“我正在推动其从信息理论转向研究网络问题,”Gallager说,“这对于每个人来说都变得日渐明显,从一个地方到另一个地方发送数据并不是全部内容,你确实必须拥有一个系统。”

华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

第二年,Arıkan开始致力于学习网络,但他从未放弃对信息科学的热情。在学习信息科学的过程中,他最大的困扰是如何解决香农在他1948年的论文中阐明的问题:如何在高速准确地传输信息的同时,克服在移动所有这些位元的过程中所引入的不可避免的“噪音”,也就是说,保证信息不被改变。

该问题被称为通道容量(channel capacity),根据香农的说法,每个通信通道都有一种可靠地传输信息的速度限制,迄今尚未达到的理论边界称为香农极限(香农 limit)。

Gallager在职业生涯的早期就曾挑战过香农极限,他也十分接近于香农极限。Gallager的理论方法是被称为低密度奇偶校验码(LDPC),这是一种实时纠正错误的高速方法。尽管LDPC的数学方法具有创新性,但Gallager了解到,这在商业上是不可行的。

如今,Gallager表示:“对于所需的逻辑操作而言,这太复杂了。”Gallager和MIT的同事们都认为,他们已经尽可能接近了香农极限。就在Gallager准备继续往前推进研究的时候,时间往前推进到80年代,人们对信息论的热情逐渐减弱了。

但Arıkan是一个例外,他仍然对香农极限抱有极大的热情。在他研究Gallager让他研究的网络问题的论文时,他抓住了其中的纠错内容,“当进行纠错编码时,其实也就是在研究香农理论”。

1986年,Arıkan完成了他的博士学位论文,在伊利诺伊大学短暂停留了一段时间之后,他回到土耳其,加入了土耳其的第一家私人非营利性研究机构比尔肯特大学。在比尔肯特大学任职期间,Arıkan建立了工程学院,除了日常授课和发表论文外,该校也始终允许他继续研究香农极限问题

“最优秀的人才在美国,但是他们为什么不在同一问题上持续工作10年,甚至20年呢?”他感到疑惑,“因为他们将无法获得任期,他们将无法获得研究经费”。与其以微小的步伐推进他的领域,Arıkan决意进行一项艰巨的任务,当时他可能没想到,这将会成为他未来20年的主要工作。

提出跨时代的极化码,却没有心思去申请专利?

谁也没能想到,1965年俄罗斯信息科学家在一篇长达三页的简报中提出的问题,成为了Arıkan实现突破的关键。

2005年12月,Arıkan重新构造了这个问题,“关键是着眼于那些存在悖论的地方,这就像冰山一角,如果发现了任何有异议之处,详细查看和研究,就有可能在下面找到一个宝库”。

Arıkan的目标,也就是对香农极限的挑战,就是以最快的速度在嘈杂的信道上准确地传输信息,最关键在于如何做到准确

当然,如果你对准确性问题不那么关心,那自然会自由许多。但是,如果寄件人和收件人希望能保持信息和数据的一致性,就必须在其中插入一些冗余。这使收件人可以交叉检查邮件以确保准确性。但是问题是,过多的交叉检查会减慢传输的速度。

这被称为信道编码问题(channel coding problem),噪声量越大,就需要更多的冗余来保护消息,但同时冗余越多,传输速率就越慢。编码问题试图克服这种权衡,找到方法以最快的速度实现信息的准确传输,最佳速率就是香农极限。

Arıkan的解决方案是,通过“通道极化(channel polarization)”,创建一个近乎完美的通道。噪音会从一个通道转移到同一通道的副本,以创建更干净和更脏的副本。经过一系列递归的步骤之后,Arıkan得到了两组信道,其中一组噪声很大,另一组几乎无噪声。从理论上讲,清除噪声的通道达到了香农极限。

Arıkan称这个解决方案为极化码(polar codes),就好像是噪音被驱逐到了北极,从而实现在南极的高效率通信。

华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

在那之后,Arıkan再花了两年时间完善细节。他知道,香农发表有关信息论的论文前,并没有告诉实验室的任何人,“香农从未提到过信息论,他一直在秘密工作”,这也成了Arıkan的日常。“我很高兴知道世界上没有其他人在研究这个问题,这毕竟不是一个热门话题”。

2008年,也就是Arıkan首次实现他的突破性成就后的第三年,Arıkan终于投稿了他的作品。其实多年来,Arıkan一直都了解这项发现的重要性。多年来,每当Arıkan旅行时,他都会将未出版的手稿留在两个信封中,上面写着“给我信任的顶级同事”,并让他们把信封寄出,“如果我不回来的话”。

2009年,该领域的顶级期刊《IEEE Transactions on Information Theory》发表了Arıkan的论文,不过,这并没有使Arıkan变得家喻户晓,但是在信息论的小团体中,极化码足以引起不小的轰动。

尽管Arıkan为自己的成就感到无比自豪,但他并不认为极化码具有实用价值。这只是一种理论上的解决方案,即使实施,也似乎不可能兼容纠错码(error-correction codes),他甚至没有去申请专利。

和华为的相遇

1987年,大概就在Arıkan返回土耳其时,当时44岁的任正非创立了一家从事电信设备贸易的公司,他将其命名为“华为”,取意“中国的前途光明”。华为的特点之一是试图在客户服务上维持几近疯狂的投入

由于供应商的不可靠性,任正非决定华为应该制造自己的系统。由此他们开始了漫长的过程,将华为建设成为一家不仅在中国国内,而且在全球范围内都具有全产业链生产和销售能力(从基站到手机)的通信设备公司。

华为的崛起被精心地呈现于该公司发布的一个小型的、自我强化的文献库中,其中包含了该公司创始人的语录。其中有这样一个描述,公司授权的作传者田涛引用了任正非关于公司如何与曾经主导该领域的强大的国际“大象”竞争。“当然,华为是无法同"大象"匹敌的,因此它必须采取狼的特质:敏锐的嗅觉,强烈的竞争天性,协作精神和奉献精神。”

但是在田涛的论述中,忽略了一些关键细节。比如,中国政府的作用被忽略了,在一次采访中,任正非曾表示,如果没有政府的支持,华为将不复存在。这不禁让我们想到在上个世纪90年代,政府为华为提供的一系列贷款和金融支持,以及一些其他的政策,这些都为华为赶超国外竞争对手起到了很好的推动作用。在政府的支持下,华为和中兴通讯等中国公司开始主导国家通信设备市场。显然,华为已成为大象。

除此之外,中国政府还提供了支持以帮助华为在海外立足,向客户提供贷款,使华为的产品更具吸引力。曾经,华为最大的外国竞争对手之一北电,一家总部位于加拿大的北美电信公司,在面临中国产品的竞争力逐渐加剧的情况下,北电的业务出现显著下降。

华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

2009年,北电申请破产,因为它未能适应变化的竞争环境。但是北电最有价值的资产还不在于其产品,而是位于渥太华研究实验室中无与伦比的专业人才,该实验室是被称为加拿大传奇的贝尔实验室。

华为也抓住了这次机会。多年来,华为一直在建立自己的研究能力,试图摆脱作为低成本供应商的声誉。现在,随着北电网络的灭亡,华为将有机会获得比市场份额更大的奖励:技术的优势,当然,还有尊重。

位于渥太华的北电实验室负责人童文在中国长大,并在蒙特利尔的康考迪亚大学获得博士学位,他为每一代移动技术做出了贡献,并在美国拥有470项专利。如果电信公司们在2009年举行研究科学家选秀,那么童文将会是很多人的首选。那时童文是一名自由代理人,谷歌、英特尔和其他公司都在设法招募他。

但最终,童文选择了华为。他想让他的网络科学家在一起,团队也不想离开加拿大。华为对他们留在加拿大一事也并未表现出太大意见,甚至华为还向他们承诺,他们可以自由地向21世纪网络科学的标志发起挑战:创建5G基础设施。

华为5G的秘密原来掌握在一个土耳其人的手中?!

中间捧奖牌者为童文博士

2009年,童文加盟华为后不久,一篇研究论文引起了他的注意,相信大家也都能猜到,这正是Erdal Arıkan的极化码论文。

童文帮助生产了为当前标准提供无线电传输纠错功能的技术,即涡轮码(Turbo codes)。他认为,极化码可能会取代5G,但是障碍很大。

开始的时候,童文没办法说服他的加拿大同事进行共同研究。2012年,华为要求童文重组其在中国的通信实验室,他借此机会指派了几位聪明的年轻工程师从事极化码工作。这项工作涉及到掌握数学理论并使其实际应用到实际设计中的不确定过程。最后,团队取得了进步,同时团队的每次创新,都给华为带来了一项新的专利。

2013年,童文要求华为投资委员会提供5亿美元用于5G研究。“非常简单,”童文说,“20分钟,他们就做出了决定。”答案自然是肯定的,这笔钱中的很大一部分用于投入极化码研究。在华为提出实施该理论的软件后,工作转向了测试和迭代,数百名工程师参与其中。

童文不是唯一看过Arıkan论文的信息科学家。圣地亚哥加州大学雅各布斯工程学院的Alexander Vardy说,这篇论文实现了“60年来人们一直试图完成的事情”,但挑战在于,极化码不适用于5G的短块长度:0和1串在一起。

Vardy和他的博士后,以色列理工学院的Ido Tal修改了纠错技术,因此在应用于5G的短块长度时,它的性能优于其他最新代码。Vardy说,他在2011年的一次会议上介绍了他的发现。圣地亚哥大学拥有Vardy和Tal的专利,并已以非排他性的方式将其许可给了三星。

如今,华为拥有极化码专利“家族”的三分之二以上的专利,是其最接近竞争对手的10倍。Vardy说,在该领域的总体感觉是,华为“投入了大量的研究时间和精力来发展这一想法”,“其他所以的公司至少落后了几年”

但是,如果该技术不适用于5G平台,那么所有的工作和所有这些专利都将白费。童文说:“它必须为所有人所采用。”“你必须说服整个行业,这对5G发展是有利的。”

如果将极化码作为华为优势的象征,那还存在另外一个障碍,“我有那个责任,”童文说,“让它成为标准”。

LDPC和极化码的较量

我们都知道,在体育比赛中,竞争是激烈的,因此队伍们必须在一些基础事项上达成共识,例如运动场的规模。

同样,在电信行业中,所有参与者都必须齐心协力,就通用平台的细节达成一致。不过,要在移动平台的各个部分上达成共识,非常复杂,传输速度、射频、安全架构等问题上需要制定数十种规范。为了实现这一目标,工程师每年都会召开一系列会议,以选择将哪些新技术视为下一代的标准技术。

那些为5G提供基础技术支持的公司将在未来几年在全球通信系统中站稳脚跟,风险是十分高的,往往还涉及一些金融、民族主义甚至是地缘政治因素。“从2001年至今,三个行政部门对此没有给予足够的重视”,克林顿政府任联邦通信委员会前主席Reed Hundt说到。Hundt是现任和前任官员中的一员,他们对美国没有与华为相当的公司而感到震惊。

“欧洲有爱立信,日本也有许多这样的公司,中国不仅有华为,还有中兴通讯等公司,其中华为能够涵盖所有产品范围”。所有这些事实使华为的5G标准成为一个令人担忧的前景。Hundt说:“华为的IP和标准是他们打算用来撬开西方计算世界的楔子。”

3rd Generation Partnership Project(3GPP)是开发5G标准的机构,它是一个由各种电信组织组成的国际性综合组织。2016年,它对所谓的5G新无线电标准做出了关键决定,该标准有助于确定如何通过5G发送数据以及如何检查其准确性。在花费了数百万美元,经过数年的测试并申请了多项专利之后,华为不打算在关键时刻手下留情,但它仍需要官方标准的证明才能巩固其技术主张。

有人提出了一种合理的想法:新框架中,在纠错方面,其他技术也将与极化码一样有效。一些人建议,对当前的4G协议,即涡轮码进行修改就足够了。其他公司,比如生产用于移动技术的芯片组的高通,该公司更中意第三种选择:Robert Gallager的旧LDPC想法,该想法几乎达到了香农极限,并且对Arıkan的知识之旅起到了一定的启发作用。

从1960年代初期,Gallager提出LDPC以来,技术得到了改善,商业生产的成本不再令人望而却步,高通的研发团队为5G开发了该产品。尽管Erdal Arıkan当时不知道,但在涉及数十亿美元和一个关乎国际声誉冲突的竞赛中,他的工作与导师的工作格格不入。

正如上文所说,华为的优势之一是政府的支持。美国和欧洲的观察家说,中国与工程师们召开标准会议,这些工程师可能会是实地工作的亲历者。竞争对手也抱怨中国公司紧密合作,甚至表面上的竞争者也会留出一些差异来支持同胞业务。

不过在2016年中的一小段时间里,情况似乎不是这样。在5G新无线电标准流程的初步轮次中,联想表达了对LDPC的偏爱,因为这项技术更为人所熟悉。然而这种偏爱没有持续多久,当年晚些时候,联想改变了看法。联想创始人柳传志打电话给任正非,明确其最初的立场没有冒犯华为的意思。柳传志和其他高管甚至起草了一封公开信:“我们都同意中国企业应该团结起来,不应受到外界的挑衅。”“坚持下去……举起民族工业的旗帜,击败国际巨头。”

在极化码的支持下,中国工业界准备在最后的关键阶段——2016年11月在内华达州里诺举行的工程标准会议上展开决战。工程师们纷纷围坐在酒店会议室中,讨论分组代码和通道容量等问题,无线通讯顾问Michael Thelander说,同步召开标准制定会议来使工程师们从一个会议室跳到另一个会议室,“但是与LDPC相比,极化码是一个热门话题”。

11月18日晚,会议室挤满了人,然而从晚上开始的会议却变成了僵局。每个公司都介绍了其工作,包括其测试结果。关注5G的Tirias Research首席分析师Kevin Krewell表示:“这场战斗相当顺利,大多数西方厂商都紧跟LDPC。”一些西方公司也支持极化码,但重要的是,所有中国公司都支持。“在整个比赛中没有明显的赢家,但是很明显华为不会退缩,”但LDPC一方也不会,“所以我们可以坐在那里花六个月的时间来解决这个问题,延迟5G,否则我们会妥协。”

他们做到了。标准委员会将信号处理标准分为两部分,可以使用一种技术来发送用户数据,另一种将应用于所谓的控制通道来管理数据的移动方式。也就是说,第一个功能分配给LDPC,第二个功能分配给极化码。

华为欣喜若狂,因为这不仅是公司的胜利,也是中国的胜利。华为因其在市场上日益占主导地位的力量而受到尊重,“华为支持的进入5G标准的极化码具有象征意义”,当时在场一位观察家表示。“这是中国公司首次进入电信框架协议,赢得了发表意见的权利。”

高通自称对此结果表示满意,首席执行官Steve Mollenkopf表示:“获得华为的东西非常重要。”“华为实际上是相当不错的。他们是一家强大的公司。我认为这是人们需要承认的一件事。”

从那时起更多人了解了极化码,一位记者表示,他很想认识ErdalArıkan,但怀疑他不会跟他说话,有人得到了这样的回应:“我不想谈论自己的工作。”

2019年,Arıkan因在极化码方面的工作而获得了香农奖,这是信息科学领域的最高荣誉。

如今,当走过比尔肯特大学工程大楼大厅,走过Claude 香农的挂相时,可以看到上面写着:“我们可能了解过去,但无法控制它;我们可能会控制未来,但对此一无所知。”

在一次采访中,Arıkan表示,华为于2012年首次与他联系,“我们互相交谈,交换了意见”,“这对我来说是最好的合作方式,我保持独立,他们做任何他们想做的事情”。

他个人没有从华为那里拿走一点钱。

“没有华为,极化码不会出现在5G中”

2011年,Arıkan创立了自己的小公司,向高通和希捷介绍了极化码,以了解他们是否有兴趣实施这一想法。他说:“我准备了一些幻灯片并发送给他们,但是没有一家美国公司对此真正感兴趣。”

但Arıkan并未因此而自责。“我是一位学者,不知道如何推广想法。也许我自己也不相信自己的这个想法。”后来,这些公司致力于极化码的开发并获得了自己的专利,但是没有像华为那样的活力。“如果不是为了华为研究人员的不懈努力”,Arıkan说,“极化码将不会出现在5G中”

有记者曾问Arıkan,他遇到过哪些为人称道的关于华为仪式的故事。他表示,他已收到华为在2018年6月发出的访问邀请,因为任正非想给予一个奖励。“我认为华为很高兴,因为标准已经被制定了,而且极有可能采用极化码。”Arıkan认为自己应该会出席这次的邀请活动,并且会与创始人和一些工程师进行愉快的交谈,当然他还可能带一块奖牌回家。

Arıkan到达深圳后,住在园区的一家旅馆里。他曾与任正非喝茶,被包括童文在内的高管敬酒。但是他感觉还有什么大事正在发生。“有一次他们向我展示了该程序,我不知道那个房间有多大,我们将要进入哪种建筑,他们也没有告诉我穿得好看一点。”典礼前一个小时,主持人告诉他,也许他应该准备一个演讲。于是在前往颁奖典礼的路上,他在车里迅速完成了他的发言稿。

“在过去的30年中,我一直在比尔肯特大学进行研究工作,研究各种各样最终成为极化码的问题,”他用停顿的英语告诉人们,“今天,我很高兴极化码能让我们相遇”。

Arıkan表示:“极化码本身并不重要,这是一个象征。5G与互联网完全不同,这像一个全球神经系统。其中华为是5G的领先公司,在未来很长一段时间内都将会是如此。在互联网时代,美国有身价数万亿美元的公司。由于5G,中国将拥有10家或10家以上万亿美元以上的公司,这将使得华为和中国处于领先地位。”

如今,美国公司和政府也不再期望以威胁或起诉来击败中国,不仅是对于华为这样的电信公司,或者短视频应用程序TikTok的安全性讨论,对美国业务的真正威胁在于,中国工程师设计了一个AI驱动的推荐引擎,这是硅谷无法匹敌的。

Arıkan说,此般经历使他尊重华为,但也必须为美国敲响警钟,“必须接受这一新事实,并相对应地加以处理”。

最后,我们可以改写一下香农的一句话:没人知道未来,但是华为和中国现在可以控制它了。

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