华为抢占5G先机背后:一位科学家和他的二十年「冷板凳」

机器之能2020-11-24
为什么华为和中国有能力掌控未来?

编者按:本文来自微信公众号“机器之能”(ID:almosthuman2017),36氪经授权发布。

这是硅谷知名科技记者史蒂夫·列维最新发表在《连线》的一篇长文,讲述了一段土耳其信息科学家与华为5G的往事。

一位出生在土耳其、在美国求学并对信息理论痴迷甚至有些Nerd的科学家,纯粹因兴趣执着二十年,终获信息理论突破。其提出的极化码却「意外」帮助华为拥有掌握未来的能力。

「意外」不乏时代的机缘巧合,但在作者笔下,华为的狼性文化、难以匹敌的坚韧、无以伦比的工程能力以及中国企业家的团结才是化「机缘」为必然,最终让华为在5G时代获取先机的重要因子。

如果说在互联网时代,美国诞生了几家价值数万亿美元的公司,那么因为5G,中国会有10家甚至更多的万亿级公司。华为和中国现在已经领先。

七月,深圳。天气炎热,树木生机勃勃。

2018年的夏天,华为拍摄了一段视频并将其发布到YouTube。视频以上世纪60年代的风格记录了一场企业活动,并由无人机拍摄的华为园区拉开序幕。

这里犹如一座葱郁的岛屿,被深圳的高楼大厦层层包围着。一辆汽车穿过园区,停在一座庄严的白色建筑前,两位身着白色制服的男子迎了出来,其中一位为客人打开车门。

客人出现时,时任华为轮值主席的郭平上前伸出手。两人走过红地毯,步入一座富丽堂皇的大理石地板建筑,登上楼梯,穿过法式大门,来到一间富丽堂皇的大厅。此时,几百人从椅子上站起来,热烈鼓掌。

这位客人受到华为创始人任正非的欢迎,后者身着天蓝色西装和白色卡其裤。

身着深色西装的高管们发表演讲后,任正非来到讲台上。此时,三名身穿白色制服的年轻女子进入会场,像军人一样挥舞着手臂走上舞台,然后一起转身。其中一名女子拿出了一枚镶在镜框里金牌,沙拉盘大小,镶嵌着一块红色的巴卡拉水晶,胜利女神造型,由巴黎蒙奈制造。任正非在向来访者展示奖章时,也是容光焕发。

这位贵宾既不是世界领袖,不是亿万富翁,也不是战争英雄,而是一位相对不知名的土耳其学者,名叫埃达尔·阿利坎(Erdal Arıkan)。整个典礼过程中,他坐在那里,身着一套不太合身的衣服,仿佛一个普通的戏迷,突然被推到百老汇舞台上成为主角。

然而,埃达尔·阿利坎并不普通。

十年前,他在信息论领域有了重大发现。随后,华为发掘出他的理论突破,并借助大量投资和顶尖工程人才将其转变为商业价值。通过努力和谈判,华为又把这种创新变成了一个更大的项目:基础的5G技术,目前正在世界各地推广。

在中国,华为过去30年崛起被视为智慧、汗水和勇气的胜利。也许,没有哪家公司比它在国内更受欢迎,同时也更受到美国的挑战。

要理解其中的原因,我们必须了解关于极化码(polar codes)的故事。

极化码

埃达尔·阿利坎生于1958年,在土耳其西部长大,父亲是医生,母亲是家庭主妇。

他喜欢科学。十几岁的时候,他父亲说,在医生的职业生涯中,二加二并不总是等于四。这种模糊性让埃达尔·阿利坎决定不从事医学工作,在工程和数学结果的确定性中,他可以找到安慰。

「我喜欢有一定精确度的东西。」他说,「既然计算,结果就像你计算的那样。」

后来,埃达尔·阿利坎进入中东科技大学( Middle East Technical University,土耳其最重要大学之一——译者注)电气工程系。1977年,第一学年只读了一半,因为土耳其政治动乱,大学遭到学生抵制。为了继续学业,凭借优秀成绩,埃达尔·阿利坎转学到世界顶级大学加州理工学院。

开学不久,阿利坎就参加了传奇物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)的迎新会。他如饥似渴地学习着课程,尤其是信息理论。当时,这还是一个很年轻的领域,1948年由克劳德·香农(Claude Shannon)创立,他在贝尔实验室(Bell Labs)时撰写了这一领域的开创性论文,后来成为备受敬重的麻省理工学院教授。

香农的成就在于,解释了模糊的信息概念如何被量化,并创立了一门相关学科,拓展了通信和数据存储的视野。借由这篇关于信息的通用数学理论的开创性论文,香农为互联网、移动通信以及数字时代奠定了基础,就好比爱因斯坦提出相对论。

埃达尔·阿利坎对信息理论非常着迷,并选择麻省理工学院继续读研。原因只有一个,「鲍勃•加拉格尔(Bob Gallager)当时在那里」他说。

加拉格尔写了一本关于信息论的教科书,也得到了香农继任者的指导。这一切表明,他距离神仅两步之遥。

「所以,如果我要做信息理论。」阿利坎说,「麻省理工学院就是目的地。」

1981年,他来到麻省理工学院。当时,加拉格尔工作重心已经转移到研究数据网络如何运作。第一次去加拉格尔办公室时,阿利坎身体都在抖。

教授给了他一篇关于分组无线网络的论文。「我敦促他从严格的信息理论转向研究网络问题,」加拉格尔说。

「越来越明显的是,从一个地方发送数据到另一个地方并不是全部真相——你必须有一个系统。」

埃达尔·阿利坎花了20年研究数据传输题,他将这个解称为极化码。

虽然埃尔达·阿利坎第二年就开始致力于研究网络问题,但他从未冷却信息科学的热情。

他最感兴趣的是解决香农在1948年论文中提出的信道容量问题:

如何在高速传输精确信息的同时,克服掉传输所有这些位元过程中不可避免的「噪音」(不必要的信息更改与变化)。

根据香农的说法,为了可靠地传输信息,每个通信通道都有某种速度限制。这个尚未达到的理论边界被称为,香农极限。

在职业生涯早期,加拉格尔曾努力靠近香农极限。其最著名的理论方法是所谓的低密度校验码(LDPC),一种实时纠正错误的快速方法。虽然LDPC的数学方法具有创新性,但是,加拉格尔明白当时它并没有商业可行性。

「对于逻辑操作来说,成本太高,因为它太复杂了。」加拉格尔现在说。

加拉格尔和麻省理工学院的其他人也认为,他们已经尽可能接近了香农极限。20世纪80年代的麻省理工学院,人们对信息理论的热情已经消退,但不包括埃尔达·阿利坎。

他想解决阻碍他达到香农极限的问题。就在他继续研究加拉格尔提出的网络问题时,他抓住了一篇包含纠错的文章。

「当进行纠错编码时,你正在使用香农理论。」

1986年,阿利坎完成博士学位论文,在伊利诺伊大学短暂停留了一段时间之后回到土耳其,加入该国第一家私人、非营利性研究机构比尔肯特大学,并协助建立了工程学院。

除了上课和发表论文,比尔肯(Bilkent)也允许他继续挑战香农极限,尽管很有可能最终无功而返。

「最优秀的人在美国,但是,他们为什么不为同一个问题工作10年、20年呢?」他说。「因为他们无法获得终身职位;无法获得研究资金。」与其一点点地推进,不如进行一项更加艰巨的任务。这将是他接下来20年的工作。

2005年12月,阿利坎突然灵光一闪。

受一位俄罗斯信息科学家在1965年写就的三页信提到的问题启发,阿利坎重新定义了自己的问题。

「发现的关键是看那些仍存在悖论的地方」阿利坎说。「就像冰山一角。如果有不满的地方,请仔细研究。你可能会在下面找到一个宝库。」

阿利坎目标是,以最快速度在嘈杂信道上准确地传输消息。关键词是准确。如果你不关心信息的准确性,可以不受约束地发送信息。但如果希望收件人获得与你发送的数据相同的数据,就必须在消息中插入一些冗余。

这使收件人可以交叉检查邮件以确保它是你发送的内容。不可避免地,额外的交叉检查会减慢速度。这被称为信道编码问题。

噪声量越大,就需要更多的冗余来保护消息。添加的冗余越多,传输速率就越慢。编码问题试图克服这种折衷,试图以最快速度实现可靠的信息传输。最佳速率将是香农极限:信道编码必杀技。

阿利坎的新解决方案是,经由所谓「通道极化」过程,创建出近乎完美的通道。噪音会从一个信道转移到同一信道副本上,从而产生一个更干净的副本和更脏的副本。一系列递归步骤之后,会出现两组信道,其中一组噪声很大,另一组几乎无噪声。

理论上,去除噪声的信道可达到香农极限。他将自己的解决方案极坐标码(polar codes)。就好像噪音被驱逐到北极,可以在南极进行原始通信。

这一发现后,埃尔达·阿利坎又花了两年才将细节细化完毕。这时他已经读到一桩轶事,香农发表那篇关于信息理论的著名论文之前,他在贝尔实验室的导师顺道拜访他时,曾问他有没有什么新东西。

「香农没有提到信息理论」他笑着说,「他对自己的工作保密,没有透露这一点。」

「我有幸知道世界上没有其他人在研究这个问题,」阿利坎说,「因为它不是一个时尚的话题。」

2008年,阿利坎终于发表了自己的研究。他一直都明白它的重要性。多年来,每当他旅行时,他都会把未发表的手稿装在两个信封里,寄给「我最信任的同事」,「如果我不回来,就把它们寄出去」。

2009年,他的研究发表在顶级期刊《IEEE信息理论学报》上。然而,这并没有使他成为一个家喻户晓的人物,不过,在信息理论家的小圈子里,极化码引起轰动。

阿利坎前往美国进行一系列讲座,他为自己的成就感到自豪,但是,他并不认为极化码具有实用价值。

这是一个理论上的解决方案,即使实现了,似乎也不太可能与已经存在的纠错代码相匹敌。他甚至没有费心去申请专利。

结缘华为

就在1987年阿利坎回到土耳其的那段时间,44岁的任正非创办了华为,一家电信设备贸易公司。由于供应商不可靠,任正非决定自己做系统。这将是一个漫长的旅程,将华为打造成一家在整个基站(从基站到手机)链条中,既负责制造也从事销售电信设备的公司,不仅针对国内,也包括全球市场。

在描述公司如何与曾主导全球市场的国家大厂竞争时,一些授权作者的作品曾这样描述道。

「华为不是大象的对手,所以它必须具备狼的品质: 敏锐的嗅觉、强烈的竞争意识、群体奋斗和牺牲精神。」

当然,还有一些细节。比如,政府曾在上世纪九十年代提供了贷款和其他金融甚至政策支持。任正非曾在一次采访中承认,如果没有政府的支持,华为将不复存在。

华为最大的外国竞争对手之一是加拿大「国宝级」电信巨头北电网络。在与中国对手竞争加剧之时,北电业务却举步维艰。

2009年,曾经名震一时的北电网络宣布破产。它令客户失望,也没有做好应对新竞争的准备。但是,华为抓住了这一刻。

北电最具价值的资产是其渥太华研究实验室无与伦比的人才,该实验室被称为加拿大传奇的贝尔实验室。多年来,华为一直在增强自己的研究能力,在世界各地有很多研发实验室。随着北电的消亡,华为有可能获得比市场份额更大的回报:先进技术。

2001年,北电网络在渥太华的总部。

童文是北电渥太华实验室的研究负责人。在中国长大,1995年在蒙特利尔的康科迪亚大学(Concordia University)获得博士学位,随后加入北电无线实验室。他为每一代移动技术都做出贡献,在美国拥有470项专利。如果电信公司在2009年举行科研人员选秀,他会是第一轮人选。现在,他成了谷歌、英特尔等其他公司争相追逐的人才。

童文选择了华为。他想把网络科学家们聚集在一起,他的团队也不想离开加拿大。而华为也很乐意聘用他们,并让他们留在那里。华为还向他们承诺,可以自由攻占21世纪网络科学的标志性高地:为5G创建基础设施。

5G时代,数以亿计的移动设备将无缝连接到网络上,也将以连科学家都无法想象的方式改变世界,并为生产这项技术的人带来巨额财富。专利竞争将会非常激烈,这不仅关系到利润,也关系到民族自豪感。

2009年,童文入华为不久,一份研究报告引起了他的注意。这正是阿利坎发现的极化码。

童文帮助开发了一种技术,为目前标准提供了无线电传输错误修正,即所谓的涡轮码。他认为,极化码的概念可以在5G中取代它,不过,障碍也相当大。

一开始,童文没法让他的加拿大同事对这个问题燃起兴趣。2012年,华为要求童文重组其在中国的通信实验室。他利用这个机会指派了几个聪明的年轻工程师来研究极化码。

采用数学理论并使其在实际设计中产生作用,整个过程包含了不确定性,但他们还是取得了一些进展,团队也在壮大。每有一项创新,华为都会冲向专利局。

2013年,童文向华为投资委员会申请了6亿美元用于5G研究。「很简单」童说,「20分钟后,他们做出了决定。」答案是肯定的,其中很大一部分资金都用到了极化码上。华为提出实施该理论的软件后,工作转向了测试和迭代。最终有数百名工程师参与其中。

其实,童文并不是唯一读到阿利坎论文的信息科学家。加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的亚历山大•瓦尔迪(Alexander Vardy)说,这篇论文实现了「人们60年来一直在尝试做的事情」。但是,极化码的挑战在于,它不适合5G短块长度(0和1串在一起的数量)。

瓦尔迪和他的博士后,以色列以色列理工学院的Ido Tal修改了纠错技术,使其在应用于5G短块长度时,性能优于其他最先进代码。

瓦尔迪说,他在2011年的一次会议上介绍了他的发现。「华为在场,在那之后他们就参加了会议」他说,似乎并没有怨恨。(圣地亚哥大学拥有瓦尔迪和Tal的专利,并已以非排他性的方式将其许可给三星。)

如今,极化码专利「家族」超过三分之二的份额都属于华为,也是最靠近华为的竞争对手的10倍。

瓦尔迪说,这个领域的普遍感觉是,华为投入了大量的研究时间和精力来开发这个想法。看起来,「所有其他公司都至少落后了几年。」但是,如果这项技术不适合5G平台,那么,所有这些工作和专利都将被浪费。

「它必须被每个人采用」童文说。「你必须让整个行业相信,这对5G有好处。」如果极化码是华为优势的象征,那么,还有一个障碍。

「我有责任」童文说,「让它成为一个标准。」

成为标准

在体育界,竞争是激烈的,团队必须在一些基本的问题上达成一致,比如,比赛场地的大小。同样,在电信行业,所有参与者必须走到一起,就一个共同平台的细节达成一致。

就移动平台的各个部分达成共识是很复杂的。必须对传输速度、无线电频率、安全架构等几十种规格做出决定。为了实现这一目标,工程师们每年都要召开一系列会议,选择哪些新技术将被视为下一代的标准技术。

赌注很大。未来几年,为5G提供基础技术的公司将被嵌入到全球通信系统中,因此在该背景下,需要将金融、民族主义,甚至是地缘政治考虑在内。

「从2001年到现在,三届政府都没有给予足够的重视。」克林顿政府时期的前联邦通信委员会(FCC)主席Reed Hundt说。

包括Hundt在内的许多现任和前任官员都警告说,美国没有能与华为匹敌的公司,华为是一家开发下一代技术并将其植入设备的大型电信公司。

「在欧洲,他们有爱立信。在日本,他们有公司。而在中国,他们不仅有华为,还有中兴。但华为是一家涵盖所有产品的公司。」这一切都让华为的5G标准竞标前景堪忧。「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。」Hundt说。

开发5G标准的机构,即第三代合作伙伴项目(3GPP),是一个由各种电信集团组成的国际伞型组织。

2016年,它就所谓的5G新无线电标准(5G New Radio standards)做出了一项关键决定,该标准有助于确定如何在5G网络上发送数据,以及如何检查数据的准确性。

在花费了数百万美元、经历了多年的测试并申请了多项专利之后,华为不会在关键时刻出拳。它需要官方标准的认证来巩固它的主张。

问题是,理智的人认为,在新的框架下,其他技术与极化码一样可以实现纠错。一些人建议对现有的4G协议进行改进,即涡轮码,这样就足够了。

其他玩家,特别是位于圣地亚哥的高通,该公司为移动技术生产芯片组,喜欢第三种选择。加拉格尔的LDPC理念几乎达到了香农的极限,并启发了阿利坎的知识之旅。

自20世纪60年代初加拉格尔提出LDPC以来,技术已经得到了改进,商业化生产的成本也不再高不可攀。高通的研发团队为5G开发了它。尽管阿利坎当时并不知道,但在这场涉及数十亿美元和国际声誉冲突的竞争中,他的工作将与其导师的工作一决高下。

华为的一个优势是得到了中国政府的支持。竞争对手抱怨称中国企业步调一致,即使是表面上的竞争对手也会抛开分歧,支持一家本国企业。

在2016年中期的一个短暂时刻,那面得到全国支持的墙好像维持不住了。在5G新广电标准的初审过程中,中国企业联想表达了对LDPC的偏爱,因为这是一种更熟悉的技术。

但这并没有持续多久。当年下半年,联想改变了看法。联想创始人柳传志打电话给任正非,以确保最初的立场没有冒犯。「我们都同意,中国企业应该团结起来,不应该被外人挑衅」柳和他的同事在一封公开信中写道。「坚持下去……高举民族工业的旗帜,最终击败国际巨头。」

团结在极化码的左右,中国工业准备在最后关键阶段,也就是2016年11月在内华达州里诺举行的工程标准会议上一决高下。

在Peppermill度假村,工程师们坐在酒店的会议室里,为分组码和信道容量争论不休,几乎没有时间去享受骰子桌或桉树蒸汽房。

无线通信专业顾问迈克尔•西兰德(Michael Thelander)说,为了制定一系列标准,工程师们不得不同时召开会议,从一个会议室跳到另一个会议室。「但是,极化码与LDPC的对比,是一个热门话题。」他说。

11月18日星期五晚上,会议室里挤满了人,晚上开始的会议变成了一场对峙。每家公司都介绍了自己的工作,包括测试结果。

「这场战役相当激烈,大多数西方厂商都排队支持LDPC。」研究5G技术的Tirias Research的首席分析师Kevin Krewell说。

不过,一些西方公司也支持极化码,但值得注意的是,所有中国公司都支持极化码。「在整个游戏中没有明显的赢家,但很明显华为不会让步。」当时在场的旁观者赛兰德表示。LDPC一方也不会。「所以我们可以坐在那里,花六个月的时间为这件事争吵,拖延5G的时间,或者我们妥协。」

他们就这么做了。标准委员会将信号处理标准分为两部分。一种技术可以用来发送用户数据。另一个将应用于所谓的控制通道,它管理这些数据如何移动。第一个分配给LDPC,第二个分配给极化码。直到凌晨,协议才最终敲定。

华为欣喜若狂。但这不仅是华为的胜利,也是中国的胜利。终于,一家中国公司得到了与其在市场上日益增长的主导力量相称的尊重。

「华为支持的极化码进入5G标准具有象征意义。」一位观察人士当时对记者说。「这是中国企业首次进入电信框架协议,赢得了话语权。」

高通声称对这个结果没有问题。「对华为来说,获得一些东西非常重要。」高通CEO史蒂夫·莫伦科普夫表示,「华为其实很不错。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。」

幕后

从我知道极化码的那一刻起,我就想见见埃达尔·阿利坎。不知他是否会和我说话。一位记者曾尝试过,但得到的答复是:「我不想谈论我的工作。」

当我第一次与他接触时,他很谨慎。但当我说我会来安卡拉时,他同意会面。他到旅馆接我,很快就握了手,领我到他的车前。当我们开车去一个烤肉店吃饭时,他给我讲了学校的历史。餐厅的工作人员认识他,我让他点餐。当他开车送我回来的时候,他很兴奋地分享了他对5G的看法。

第二天,我们在他位于比尔肯大学(Bilkent University)的办公室再次见面。比尔肯大学现在是土耳其的顶级研究机构,有1.2万名学生。

2019年,阿利坎因其在极化码方面的工作获得了信息科学领域的最高荣誉——香农奖。当他陪同我穿过他帮助从零开始建立的部门所在的工程大楼的大厅时,我们经过克劳德·香农的大框照片。上面的引文是这样写的:

「我们可能知道过去,但无法控制它;我们可能控制未来,但对未来一无所知。」

在他的办公室里,阿利坎在一块大白板上潦草地写着方程式,解释他是如何实现香农极限的。之后,我们聊起了华为。

华为第一次与他联系是在2012年。「我们互相交谈,交换意见」他说。「这对我来说是最好的合作模式。我保持独立,他们做他们想做的事。」他个人没有从这家电信巨头那里拿过钱。

2011年,阿利坎成立了自己的小公司,并带着极化码去找高通和希捷,看他们是否有兴趣实现这个想法。「我确实准备了一些幻灯片并寄了出去,但没有一家美国公司对它真正感兴趣。」他说。

他因没能激起他们的兴趣而自责。「我是一个学者,不知道如何推广一个想法。也许我自己也没有那么强烈地相信这个想法。」后来,这些公司也参与了极化码的开发,并获得了自己的专利,但没有像华为那样有魄力。

「如果不是华为研究人员坚持不懈的努力」阿利坎说,「极化码今天不会出现在5G中。」

我问他关于那段YouTube视频中不朽的华为典礼。他告诉我,他已于2018年6月收到访问邀请。「我说,『是什么场合?』他们说,『任总要给你颁奖』」阿利坎回忆说。

「我想,华为很高兴,因为标准已经制定出来了,极化码肯定在其中。」 他觉得自己会出现在这里,和创始人以及一些工程师进行愉快地交谈。他可能会带着一块牌匾离开。

阿利坎到了深圳,住在校内的招待所。他与任正非喝茶,包括童文等其他高管也向他敬酒。但他感觉到有更大的事情正在发生。

「他们一步一步向我透露了这个计划。我不知道那个房间会有多大,也不知道我们会进入什么样的建筑。他们没有叫我穿得漂亮点。」 (他还是照做了。)

在典礼前一个小时,主持人通知他,也许他应该准备一份演讲稿。在去典礼的路上,在城里的汽车上阿利坎匆匆完成了他的讲话。

「过去的30年里,我在比尔肯大学研究了各种各样的问题,这些问题最终导致了极化码的出现。」他用断断续续的英语告诉人们。「今天,我们的道路在一个快乐的场合交汇。」这场面并没有让阿利坎头疼。

毫无疑问,华为是中国技术最成熟的公司。千百年来,中国第一次在技术上与世界其他国家正面较量。美国要忍受与同等实力的国家竞争,难度要大得多。

「极化码本身并不重要」他接着说。「它是一个符号。5G与互联网完全不同。它就像一个全球神经系统。华为是5G领域的领军企业。它们将在10年、20年、50年后出现——你不能这样说美国的科技公司。

在互联网时代,美国诞生了几家价值数万亿美元的公司。因为5G,中国会有10家甚至更多的万亿级公司。华为和中国现在已经领先了。」

参考链接:

https://www.wired.com/story/huawei-5g-polar-codes-data-breakthrough/

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