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任正非最大的烦恼不是品牌销量,竟是两个科学定律 香农定理摩尔定律

2018-11-04 13:19:42来源:网络

2016年5月30日的全国科技创新大会,李克强主持会议,习近平到会发表讲话。华为创始人任正非也在大会上发了言,这位文革时就开始自学无线电理论的企业家,发言中的干货极多。

“华为现在的水平尚停留在工程数学、物理算法等工程科学的创新层面,尚未真正进入基础理论研究。随着逐步逼近香农定理、摩尔定律的极限,而对大流量、低时延的理论还未创造出来,华为已感到前途茫茫,找不到方向。华为已前进在迷航中。”

饱蘸忧患和责任的发言,一语点中了华为这艘民企航母的困境:基础科学的研究无进展,应用层面的技术研发快到天花板了。基础研究是前提,而基础研究的突破,又不是华为一家企业能做到的。

说到基础研究,他随口提了两个专业名词:“香农定理”、“摩尔定律”。一般的读者看到这里也就过了,但认真的读者可能会好奇:这是何方神圣,能让任总如此忧心。

香农定理

美国数学家香农,是信息论的奠基人,2001年去世。在二战中曾是一位著名的密码破译者,这使人联想到大他四岁的图灵。他最大的贡献是在信息的基本理论上。

 

谓香农定理,跟牛顿力学定律一样,也有三条:香农第一定理、香农第二定理,香农第三定理。三条定理是一个整体,综合给定了信息的基本原理。任正非提到的“香农定理”,应该是通信业界应用最广泛的香农第二定理。

这个定理的公式并不复杂,但写在稿子里还是太复杂。粗略地说,它包括三个量:a.信道容量;b.信道带宽;c.信噪比。

a和b都是原汁原味出现在公式中的,而c比较麻烦,它不是直接出现在公式中,而是经过了一个转换,但对不熟悉的读者来说,只要记住这一点就够了:c的转换值跟c本身的值仍然是正相关的,也就是说,它会随着c的增大而增大,也会随着c的减小而减小。

因此我们可以将任正非提到的“香农定理”简化为一种关系:a=b×c,只要注意c不是信噪比本身,而是和信噪比正相关的一个值就行了。

解释一下这三个量:

a.“信道容量”就是一条通信线路所能传输的最大信息量,相当于一条道路的运载能力;

b.“信道带宽”就是这条通信线路的带宽,相当于一条道路的车道数;

c.至于“信噪比”,可以用开车时的情形做比喻:你走一条路所用的总时间,除以你因为等红灯、让行人、堵车而延误的所有时间,就是你的信噪比,这条道路上所有司机的平均情形,就是公式中想要的。信噪比代表了这条通信线路的传输质量,即所传输信息的保真质量。

香浓定力.jpg

香农定理的基本精神就是,给定了这三个量任何一个,其他两个量的比例关系也就给定了,不可能再突破。

比如带宽一定,那么你想传输更多的信息,就要降低信噪比,这好比我们看视频,如果卡得受不了,切换到流畅模式,就要牺牲画质,很多画质信息被在传输过程中省略了。

再比如信噪比一定,那么你想传输更多信息,就得增大带宽。最近几年家庭宽带不断扩能,从2M,到10M,再到100M,便反映了这个趋势。

显而易见,香农定理的命门在信噪比。信道容量和信道带宽都是粗放型的,只有信噪比真正反映了技术难度所在。所以业界用信噪比来代表所谓的"业务速率",也即单位带宽的信息容量。反映在上面那个简化了的关系中,就是c=a/b。

华为的迷茫也正在于此。任何天才的工程师,都不可能无视信噪比的天花板,无视香农定理的存在。正如所有科学定律一样,香农定理并非不可突破,但是这个要求对工程师来说或许太高了。我们需要的是香农那样的科学巨匠。

摩尔定律

任正非提到的另一个概念是“摩尔定律”。Intel创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)在1965年的文章中指出,芯片中的晶体管和电阻器的数量每年会翻番,原因是工程师通过技术更新迭代,可以不断缩小晶体管的体积,而这意味着半导体的性能与容量将不停地以指数级增长。

戈登·摩尔:摩尔定律还能持续5到10年

摩尔定律很大程度上要归功于硅这种理想的半导体,它能以有控制的方式导电,从而成为了制造芯片的最佳材料。硅的晶体结构能在尺寸变小的情况下保持不变,从而性能不变,所以接下来半导体工程师要做的,就是不断把结构做的小一点,再小一点。

和香农定理不一样,摩尔定律并非一条严格的科学定律,而更像一条社会法则,它反映的是半导体技术的匀速更新。这一点大家都有直观的感受:和其他商品不同,手机和电脑等数码商品的配置总是越来越高,但是价格却越来越便宜,消费者越来越得到实惠。另一方面,厂商也能够继续赚到钱,因为技术迭代不断发生,使生产成本越来越低。

“摩尔定律”与马克思的“社会必要劳动时间”理论有异曲同工之妙。在纪念这一定律发表四十周年之时,作为英特尔公司名誉主席的摩尔说:“如果你期望在半导体行业处于领先地位,你无法承担落后于摩尔定律的后果。”几十年间,半导体产业围绕“摩尔定律”的竞争像大浪淘沙一样激烈。大家在比谁能更快地将硅片做得再小一点,竞争的结果,就是摩尔定律的形成。

摩尔定律所反映的,是技术研发在既有的半导体基础理论框架下的稳步展开,只要基础理论的空间没有被工程师们开垦殆尽,摩尔定律就一直有效。但余粮总有吃完的一天,当基础理论迟迟得不到突破,工程师们的开垦空间就一点点缩小。随着晶体管电路逐渐接近性能极限,这一定律终将走到尽头。

据说2023年左右,芯片将做得非常小,小到让硅做的晶体管里的电子产生漂移(electronsdrift),而这会让晶体管无法控制电子的进出,从而无法准确产生电子运算需要的1和0这两个值。到这时,晶体管将无法再小下去,技术革新或将停止。

对于依靠技术革新来竞争的企业来说,这种局面是不能接受的。要克服摩尔定律,就要有比硅更理想的替代材料,但是眼下能够彻底替代硅的材料还没有找到。和香农定理一样,摩尔定律成了悬在华为和高通这样的行业领头羊上的又一把达摩克利斯之剑。

子曰“君子忧道不忧贫”。按儒家的标准,商人或许很难入君子之列,但是真的有这样一位商人,让他忧愁的不是这个月的销量,而是两个科学定理。

关键词: 香农定理 摩尔定律

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