科技一周~天才与人类的每一步
作者 硅谷寒 | 2013-12-14 18:33 | 类型 硅谷科技周报 | 1条用户评论 »
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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]. | |
雁过留声
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嫦娥三号登月成功,one giant step for us