科技一周~天才与人类的每一步

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科技一周~天才与人类的每一步

2013/12/14

“That’s one small step for a man, one giant leap for mankind.”这是1969年,当Neil Armstrong代表人类第一个登上月球时传回的第一句话。四十多年后的今天,每当我阅读计算机科技史的文章,碰到那些震古烁今的天才科学家时,便又回想起Armstrong的话,其对我内心之震撼,犹深不减。

  • 本周最重大的新闻,无疑是NASA的“好奇号”(Curiosity)火星探测器,发现了火星上曾有淡水湖泊的明证,从而极大地提高了火星上曾有生物的可能性[1]。我一直觉得,科技的终极目标有两个:认识自我,认识宇宙。前者是人工智能技术要解决的问题,而后者则要依赖于像“好奇号”这样的宇宙航行器了。“好奇号”今天的发现,不过是它这个机器人在行进当中的小小一步,但却是我们人类认识宇宙的一大步。
  • 本周五,Google宣布收购机器人公司,Boston Dynamics,由Anroid OS的发明人Andy Rubin统领[2]。这已是Google在2013年收购的第十家与人工智能或机器人技术相关的公司,难道机器人的时代真地为期不远了?现在的Google不光注重软件技术,更是开始进军芯片设计领域。最近,在Google的招聘栏里,出现了“数字芯片设计工程师”的职位,这说明Google已经不满足于软件层面的技术领先,更要从底层硬件的设计上拉大与竞争对手的距离。
  • 在iOS 7.1 Beta版本里,出现了一项新功能“Car Display”[3],标明了Apple下一代iOS进军汽车领域的决心。这一点我们已在前面的《科技一周~iOS in the car》有所描述[4].

本期科技一周的科普焦点,则是要探讨一下“好奇号”里面计算机控制系统的高可靠性问题。

当今的高可靠性计算机系统(比如,数据中心服务器、航天飞行器系统、“好奇号”机器人),对数据的正确性有着极其严格的要求,因为一旦出现传输错误,其结果之代价不仅昂贵,而且是致命的,轻则数亿美元的损失,重则数十亿美元,甚至会对很多人(宇航员、飞机乘客)的生命构成威胁。数据在稳态存储的情况下,其出错概率可以忽略不计,但在传输过程中,出错的概率就会大许多。这一点比较容易理解,就像,你把钱放在家里的保险箱中,几乎不会丢失,但你把钱拿出来随身携带,那么丢个三块两毛就是经常性事件了。

最简单也是最“笨”的方法,就是用两套相同的设备来传输,在接收端也用两套相同的设备来检测,并校正数据。打个比方来说,你要给家人写封信,为了保证可靠性,你把信复制了一下,寄出去两份相同的信件。当邮递员投递信件时,恰巧天有大雨,信上落满了斑斑点点的雨水,模糊了不少字迹。但你的家人阅读信件时,依然可以通过对比两封信件的内容来确认你的言词,即:如果一封信里某处词语模糊了,就阅读另一封信里同样位置上的词语。这种双信件高可靠性通讯暗含了一个原理:两封信都在同一个词语上出错的概率可以忽略不计。

然而,上述方法的缺点是,成本高昂:为达到高可靠性,花费了至少两倍于原来的成本。这个时候,就是“天才与奇迹”登场的时刻了。著名数学家,Richard Hamming,在1950年发明出以自己名字命名的编码格式:汉明码(Hamming Code),以极低的成本代价,达到了翻倍的校验可靠性。

汉明码现在被广泛地应用于高可靠性系统的内存模块上,即,带有ECC(Error-Correcting Code)功能的内存。Richard Hamming也因此获得了1968年的计算机界最高奖项,图灵奖(Turing Award)。

简单说来,如果一个传输数据拥有N比特,其中只要包含(logN+1) 比特的汉明校验码,就可以达到对一个比特错误进行自动校正的目的。例如,一个31比特的传输数据,其中只需要包含5比特的汉明校验码,另外26比特则是真正需要传输的有效信息。这样只需要花费5/26,不到五分之一的额外成本,就可以把出错概率降低一个幂次。也就是说,如果一个比特出错的概率为万分之一,原有系统的出错概率也是万分之一,但加入汉明码后,至少要两个比特同时出错,才会影响整个系统,于是整个系统的出错概率就降到了亿分之一!

Google的数据中心服务器里,飞机的计算机系统里,“好奇号”的控制系统里,中国的登月飞船里,无不使用了基于汉明码(或其衍生码)的高可靠性存储模块。That’s one genius’ small step, but one giant leap for science and technology。天才只迈出了一小步,就使人类的科技飞跃而前!

[1]. NASA, Possible extent of Pokies ancient lake in Gale Crater, Mars,  http://www.nasa.gov/jpl/msl/mars-rover-curiosity-pia17596.html#.UqzFJWRDvnI , Dec 2013.

[2]. Josh Lowensohn, Google buys Boston Dynamics,  http://www.theverge.com/2013/12/14/5209622/google-has-bought-robotics-company-boston-dynamics , Dec 2013.

[3]. Richard Nieva, Apple iOS 7 beta update hints upcoming “Car Display” feature, http://news.cnet.com/8301-13579_3-57615604-37/apple-ios-7-beta-update-hints-at-upcoming-car-display-feature/ , Dec 2013.

[4]. 硅谷寒, 科技一周~iOS in the car,  http://www.valleytalk.org/2013/11/09/%E7%A7%91%E6%8A%80%E4%B8%80%E5%91%A8ios-in-the-car/ , Nov 2013.

图1. [1].

图2. [2].

图3. http://en.wikipedia.org/wiki/Richard_W._Hamming .

(没有打分)

雁过留声

“科技一周~天才与人类的每一步”有1个回复

  1. 隆隆的响声 于 2013-12-15 4:54 上午

    嫦娥三号登月成功,one giant step for us