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华为5G与数学
作者 | 汤涛(中科院院士,《数学文化》联合主编)
来源 | 数学文化
2019 年 4 月 13 日,笔者在深圳南山区深圳人才公园做了题为《数学推动现代科技——从华为重视数学谈起》的公众演讲,人才公园的大讲堂里座无虚席,网络也做了全程线上直播。一个月后的 5 月 15 日,美国总统特朗普签署行政命令,将华为加入“出口禁运”实体清单(即美国企业需要获得特别许可才能向华为出口软硬件产品)。美国总统公开封杀华为,使华为更放异彩。华为掌舵人任正非先生 2012 年与实验室专家座谈时讲的名言 :“我认为用物理方法来解决问题已趋近饱和,要重视数学方法的突起”,重新被人们热议。他在另一个场合公开表示 :“其实我们真正的突破是数学,手机、系统设备是以数学为中心”,道出了华为成功的一个秘诀 :那就是重视数学的应用!
事实上华为多年来持续在数学上投资,从 1995 年起,华为就一直在招聘数学相关的博士和专家,每年都从各大院校招聘一批运筹学、控制论、数理统计、概率论、计算数学的博士,从事分布式计算、密码学、网络安全、数据库、通信协议算法、通讯网络优化等方向的高精尖工作,待遇也明显高于普通员工, 目前 50-70 万年薪是正常水平。1999 年,华为在俄罗斯建立了专门的算法研究所,招聘了数十名全球顶级的数学家,创造性地用非线性数学多维空间逆函数解决了GSM 多载波干扰问题,使华为在全球第一个实现了 GSM 多载波合并, 进而实现了 2G、3G 、LTE 的单基站 Single RAN 设计。2016 年,华为宣布其法国数学研究所成立,这是继俄罗斯之后华为在全球设立的第二个数学研究所, 成员超 80 人,全部为拥有博士学位的中高级研究人员。
华为最出彩的一招就是和土耳其数学家埃达尔·阿勒坎(Erdal Arikan)的合作。在土耳其的毕尔肯大学(Bilkent University),阿勒坎十年磨一剑,终于在 2008 年发表了主要用于 5G 通信编码的极化码 (polar code) 技术方案。他2008 年发表在 IEEE 期刊上的文章一共二十多页,独立完成。这篇文章发表后, 就被华为的科学家们注意到了,他们评估了阿勒坎的论文,敏锐地意识到这篇论文至关重要,感觉其中的技术可以用于 5G 编码。
阿勒坎教授的论文发表两个月后,华为就开始以它为中心研究各种专利, 逐步分解,投入了数千人和大量科研资金促进研发。十年间,华为把土耳其数学家的数学论文变成技术和标准,积极和阿勒坎教授团队合作,出资支持他的实验室,助其扩大研究团队,拥有更多的博士生、博士后。这一切努力的结果是,华为拥有了世界上超过四分之一的 5G 专利,雄踞世界第一。
在过去的几个月,数学推动华为 5G 成为热点话题。本文将在作者今年四月深圳大讲堂演讲的基础上,谈谈华为 5G 与现代数学。
1 数学重要是因它能解决产业和实际问题
对一个大国来说,必须拥有理论家,同时要有能文能武、能理论能应用的大数学家。后者多了,这个国家的科技、国防、经济才可以真正强大,才可以拥有像波音、华为、微软、空客这样的超级技术公司。
众所周知,半个多世纪以前,力学和数学紧密联系在一起,有的还完全在大学同一个系里面。比如上个世纪五十年代,北京大学数学系就叫做数学力学系。出自同一师门的钱学森、林家翘,博士论文研究的问题很接近,毕业后一个去了麻省理工的航空工程系,另一个就去了数学系。在这个意义上,在中国近代科技史上,能理论能应用的数学家有华罗庚、钱学森、郭永怀、王选、冯康等。他们不光有强大的理论功底,还有卓越的应用能力,为新中国的发展和强盛做出了巨大的贡献。
美国近代史上能文能武的数学家很多,包括担任过美国数学会理事长的冯·诺依曼(John von Neumnn, 1951-52 年理事长)、拉克斯(Peter Lax, 1979-80 年理事长)、格里姆(James Glimm, 2007-08 理事长)。拉克斯在基础数学的偏微分方程、泛函分析做出了重要的工作,并且是计算数学、激波计算的奠基人;格里姆在基础数学的 C*-代数、量子场理论、偏微分方程领域成就卓著,同时在流体力学、科学计算等应用数学领域做出了杰出贡献。
把基础数学、应用数学做得炉火纯青的是大名鼎鼎的冯·诺依曼。他是 20 世纪最重要的数学家之一,早期以算子理论、量子理论、集合论等方面的研究闻名,开创了冯·诺依曼代数。
同时,他在现代计算机、博弈论、科学计算等领域做出了伟大的贡献,被后人称为“计算机之父” 和“博弈论之父”。2014 年 4 月30 日,笔者在美国曾经听过年近九旬的拉克斯的晚宴主旨演讲1, 题目是“冯·诺伊曼的早期生涯、洛斯阿拉莫斯时光以及计算之路”2,听到他对冯·诺依曼崇拜式的评价 :如果冯·诺依曼活得长一点, 他肯定可以获得数学的阿贝尔奖、诺贝尔经济奖, 计算机的大奖, 以及一个关于量子力学的诺贝尔物理奖。
冯·诺依曼
关键是这些数学家为其国家的建设出了大力,有着显著的效果,真正体现了数学重要是因它能解决产业和实际问题。1957 年 2 月 8 日,冯·诺依曼在华盛顿陆军医院去世,终年 53 岁。弥留之际,美国国防部正副部长,陆海空三军总长以及其他军政要员齐聚在病榻前,聆听他最后的建议和非凡的洞见, 由此可见这位数学家对美国国防的重要性3。
原子弹不能通过试错的办法来制造,每个设计方案都必须有理论上的测试。冯·诺依曼意识到解决链式反应问题的唯一途径就是离散方程并求出数值解 ;而拉克斯奠定了激波计算理论,大大推进了核武器设计、数字风洞等尖端研究。这些都是对实际问题做出了实质性的贡献。
今日的美国,能文能武的数学家还是很多,数学家成为两院院士的至少有十几个,包括做计算数学的 Carl de Boor, Gene Golub, Stanley Osher, James Sethian, Leslie Greengard, Ingrid Daubechies, Vladimir Rokhlin, James Demmel, Marsha Berger, Margaret Wright。在中国,目前还没有一个数学家是两院院士。
另有一些发达国家,比如加拿大、澳大利亚,还是基础数学独霸天下,几乎没有应用数学家的舞台,当然他们的科技就只能原地踏步了。
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