華為周紅:面向未來的科學(xué)假設(shè)與商業(yè)愿景

在走向智能世界的路上,人類社會(huì)面臨著巨大的挑戰(zhàn):一方面,幸福生活、高效工作、綠色環(huán)境還需要感知、連接和計(jì)算提升成百上千倍能力;另一方面,在相關(guān)科學(xué)與技術(shù)上,過去的幾十年中都沒有大的突破,甚至已經(jīng)接近瓶頸。面向未來,只有大膽提出假設(shè)、大膽提出愿景,敢于打破既有理論與技術(shù)瓶頸的條條框框,才能大踏步前行。

本文來自極客網(wǎng)(www.fromgeek.com)。

4月26日,在華為分析師大會(huì)2022上,華為戰(zhàn)略研究院院長(zhǎng)周紅博士發(fā)表了“面向未來的科學(xué)假設(shè)與商業(yè)愿景”的演講。他指出,21世紀(jì)將是人類社會(huì)全面走向智能化的時(shí)代,智能化的核心是感知、連接和計(jì)算,以及由此帶來對(duì)物質(zhì)和現(xiàn)象、生命和能量等的更高認(rèn)知和掌控能力。

在走向智能世界的路上,人類社會(huì)面臨著巨大的挑戰(zhàn):一方面,幸福生活、高效工作、綠色環(huán)境還需要感知、連接和計(jì)算提升成百上千倍能力;另一方面,在相關(guān)科學(xué)與技術(shù)上,過去的幾十年中都沒有大的突破,甚至已經(jīng)接近瓶頸。面向未來,只有大膽提出假設(shè)、大膽提出愿景,敢于打破既有理論與技術(shù)瓶頸的條條框框,才能大踏步前行。

以下是演講全文:

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女士們、先生們,大家好!歡迎參加第19屆分析師大會(huì)。

很高興有機(jī)會(huì)和大家探討面向未來的科學(xué)假設(shè)和商業(yè)愿景。

我們知道,18世紀(jì)是機(jī)械化時(shí)代、19世紀(jì)是電氣化時(shí)代、20世紀(jì)是信息化時(shí)代,那么21世紀(jì)會(huì)是什么時(shí)代呢?

我認(rèn)為21世紀(jì)將是人類社會(huì)全面走向智能化的時(shí)代,智能化的核心是感知、連接和計(jì)算,以及由此帶來對(duì)物質(zhì)和現(xiàn)象、生命和能量等的更高認(rèn)知和掌控能力。

在走向智能世界的路上,我們面臨著巨大的挑戰(zhàn),一方面,幸福生活、高效工作、綠色環(huán)境還需要感知、連接和計(jì)算提升成百上千倍能力,另一方面,在相關(guān)科學(xué)與技術(shù)上,過去的幾十年中都沒有大的突破,甚至已經(jīng)接近瓶頸。

怎么才能創(chuàng)造可行的發(fā)展路線?

我認(rèn)為,面向未來,只有大膽提出假設(shè)、大膽提出愿景,敢于打破既有理論與技術(shù)瓶頸的條條框框,才能大踏步前行。

數(shù)字技術(shù)極大豐富了人類的工作與生活

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在過去的10年中,隨著寬帶通信、智能設(shè)備、AI和云計(jì)算的迅速發(fā)展,數(shù)字技術(shù)極大豐富了人們的生活,

從打電話、上網(wǎng)瀏覽信息、即時(shí)通信,到地圖導(dǎo)航、電子銀行、網(wǎng)上購(gòu)物等,ICT技術(shù)已經(jīng)成為越來越多人們生活中不可或缺的重要部分。

除了生活中所需要的ICT技術(shù),我們也在過去10年中,與很多行業(yè)進(jìn)行聯(lián)合探索,看看ICT技術(shù)能不能幫助或者是怎樣幫助行業(yè)發(fā)展。

例如,我們與汽車公司、電信運(yùn)營(yíng)商一起,在高速公路上進(jìn)行試驗(yàn),大家知道,人工駕駛的反應(yīng)速度是以秒為單位的,我們通過在汽車之間、以及汽車與網(wǎng)絡(luò)之間建立10毫秒級(jí)的高性能連接,幫助將緊急事件的檢測(cè)和反應(yīng)能力提升上百倍,

在100公里時(shí)速下,可以將人工駕駛所需要的幾十米、上百米的安全距離,縮小到0.8米,從而極大地提升高速公路的車流量與安全性,

同時(shí)可以支持組隊(duì)行駛減少風(fēng)阻,節(jié)省20%左右的油耗。

車聯(lián)網(wǎng)還可以支持遠(yuǎn)程駕駛,創(chuàng)造新的作業(yè)模式與服務(wù)模式。

我們也在城市環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn),通過超視距的車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同,有可能提升30%通行效率、減少90%交通事故。

今天,在工廠、在醫(yī)院、在港口、在煤礦,ICT技術(shù)正在深入千行百業(yè),使能行業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

人類對(duì)未來的追求永無止境

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面向未來,我們看到還有很多地方,ICT技術(shù)有可能做出更大的貢獻(xiàn)。

比如人的健康與幸福,通過穿戴式傳感器、無線通信與云計(jì)算,可以更好地支持運(yùn)動(dòng)健康和慢性病的管理,AI計(jì)算還能幫助進(jìn)行藥物和疫苗的快速設(shè)計(jì)和高效篩選。

ICT技術(shù)可以支持無處不在的自動(dòng)和智能機(jī)器,從而提升人們的生活質(zhì)量,提高各行各業(yè)的作業(yè)效率。

ICT技術(shù)可以幫助建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境,例如進(jìn)行高效的能源變換和調(diào)度、設(shè)計(jì)低成本、高效率的能源轉(zhuǎn)換催化劑、儲(chǔ)能材料。

在虛實(shí)融合的數(shù)字世界上,ICT技術(shù)還能幫助建立“遠(yuǎn)在天邊、近在眼前、身臨其境”的體驗(yàn),豐富人們的生活、幫助人們學(xué)習(xí)成長(zhǎng)、幫助各行各業(yè)在數(shù)字世界快速迭代改進(jìn)等。

全球數(shù)字化超越“十年百倍”的發(fā)展

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在這么多的需求驅(qū)動(dòng)下,全球數(shù)字化正以指數(shù)速度增長(zhǎng)。

例如全球的移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)流量,從2010年的每月0.24艾字節(jié)(EB),增長(zhǎng)到2020年的每月60艾字節(jié),在10年時(shí)間中增長(zhǎng)超過250倍。

中國(guó)的移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)流量,從2010年的每月0.033艾字節(jié),發(fā)展到2020年的每月13艾字節(jié),增長(zhǎng)超過400倍。

面向未來,我們認(rèn)為數(shù)字技術(shù)將以超過十年百倍的速度增長(zhǎng),數(shù)字化將促進(jìn)人和社會(huì)加速發(fā)展。

從另一方面,我們也看到,現(xiàn)有的很多理論和技術(shù)都是幾十年前甚至一百多年前提出的,基于這些理論和技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開始遇到瓶頸,例如通信領(lǐng)域的奈奎斯特采樣定理和香農(nóng)定律、計(jì)算領(lǐng)域的可計(jì)算性理論和馮·諾依曼架構(gòu)、半導(dǎo)體領(lǐng)域的摩爾定律等,希望有新的假設(shè)和愿景來牽引突破。

為此,我們提出面向未來的4個(gè)科學(xué)假設(shè)和商業(yè)愿景,希望與學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界一起共同探索,開展面向未來的研究。

一:拓展認(rèn)知的邊界,物質(zhì)與能量、現(xiàn)象與規(guī)律

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首先是探索基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù),拓展我們認(rèn)知的邊界。尤其是物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的突破,將使我們能夠更好地發(fā)明新分子、催化劑、蛋白質(zhì)等材料和器件,以及新的裝備和新工藝。

有一次,我和一位量子科學(xué)家討論,怎么把光子、量子存起來?他在1993年就提出了量子存儲(chǔ)概念的時(shí)候沒人相信,大家可能會(huì)想,能用一個(gè)瓶子把光存起來嗎?存儲(chǔ)量子的操作不會(huì)影響它的狀態(tài)?直到1998年,哈佛Hau等人用電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象將光子速度降到17m/s,2000年,她們成功地把光子“凍結(jié)”了一分鐘時(shí)間。2006年帝國(guó)理工的Pendry等人提出可以用類似“光子黑洞”的思路來束縛住光,讓其無法離開。目前已經(jīng)有很多辦法來可以實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ),從而更好地支持量子通信和量子計(jì)算。

為了降低半導(dǎo)體器件的功耗、提升可靠性,我們和科學(xué)家合作,分析半導(dǎo)體器件中的熱機(jī)理,看看能不能構(gòu)造出有利條件,加快“光聲子”變成“聲聲子”,從而減少柵極與漏極之間熱點(diǎn)的形成。

現(xiàn)在很多超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)采用毫開爾文的溫度,一些科學(xué)家在進(jìn)一步探索,用激光來冷卻原子,從豪開爾文降低一百萬倍溫度到納開爾文,接近絕對(duì)零度的溫度極限,看看能不能發(fā)現(xiàn)更復(fù)雜的量子現(xiàn)象。

未來,物質(zhì)的特性能不能通過計(jì)算預(yù)測(cè)出來,而不用靠漫長(zhǎng)的試驗(yàn)來進(jìn)行摸索?答案是可能的。例如采用USPEX計(jì)算方法,目前用100萬核時(shí)的算力,可以計(jì)算出小于200個(gè)原子組成的分子的主要特性。2017年,科學(xué)家通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)了超硬五硼化鎢的結(jié)構(gòu),解決了困擾科學(xué)界近60年的難題;2019年科學(xué)家通過計(jì)算,發(fā)現(xiàn)了十氫化釷在85萬個(gè)大氣壓的情況下,具有驚人的高溫超導(dǎo)性,臨界溫度達(dá)到-112攝氏度。

有了更好的計(jì)算化學(xué),我們有望發(fā)現(xiàn)或者發(fā)明更好的催化劑、化學(xué)藥、生物藥與疫苗。

二:拓展感知極限,更好地了解世界和人類自身

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第二是我們未來將不斷擴(kuò)展感知世界和感知自身的能力,將從接近人類感知到超越人類感知、從替代感知到擴(kuò)展和創(chuàng)造感知、從人類感知到機(jī)器感知。

在這方面我們要向生物界學(xué)習(xí),大自然通過百萬年甚至上億年的進(jìn)化,形成了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有機(jī)器和人的感知能力。

例如在視覺上,有些蜘蛛眼睛在物體輪廓和運(yùn)動(dòng)計(jì)算上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人眼,有利于快速精準(zhǔn)捕獲獵物,我想自動(dòng)駕駛汽車是不是正好需要這種眼睛?

同樣的還有青蛙眼睛,是高靈敏度的單光子接收機(jī),可以在黑暗的環(huán)境下看的更清楚。

在嗅覺上,狗鼻子分辨氣味的能力超過人類1000倍。

除了拓展對(duì)外部世界的感知,我們未來也能更好地感知和控制人體自身。像ECG、EEG、PPG等這些技術(shù)目前還沒有系統(tǒng)地、便捷而又低成本地發(fā)展起來,對(duì)于人體的八大子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)度量感知,我們還有很多工作要做。通過發(fā)展新的傳感器,我們將來可能實(shí)時(shí)、無感知地測(cè)量血壓、血糖、心電等重要的健康參數(shù);我們可以發(fā)展新的神經(jīng)系統(tǒng)腦機(jī)接口、肌機(jī)接口,更好地與機(jī)器協(xié)同,將來有可能用思考來交流和工作、用思考來開車和娛樂。

我們也可以發(fā)展虛實(shí)融合數(shù)字世界新的體驗(yàn),例如3D顯示和虛擬觸覺,以幫助在數(shù)字世界中“看得真、摸得實(shí)”。

三:探索新的計(jì)算模式與實(shí)現(xiàn)方式,認(rèn)知世界、解決問題

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第三是探索適應(yīng)目標(biāo)與環(huán)境的計(jì)算模式與高效實(shí)現(xiàn)方式,從而更好認(rèn)知世界、解決問題、創(chuàng)造價(jià)值。

信息領(lǐng)域經(jīng)過多年的積累,已經(jīng)發(fā)展出了十幾種廣泛使用的計(jì)算模式,例如無線和光通信里大量使用基于快速傅里葉變換的蝶形計(jì)算模式,路由器里大量使用基于邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移的有限狀態(tài)機(jī)計(jì)算模式,AI里目前大量使用基于統(tǒng)計(jì)和相關(guān)的計(jì)算模式等。數(shù)學(xué)家和工程師們奮斗了這么多年,我們?cè)谟?jì)算模式上是不是已經(jīng)走到了盡頭?我認(rèn)為還有很大的空間,例如:

在通信上:隨著未來的通信系統(tǒng)不斷走向高頻、高速,我們將面臨越來越多的非線性信道和非線性器件帶來的問題,我們能不能從傳統(tǒng)的線性傅里葉變換拓展到非線性逆散射變換,以更好地匹配未來的應(yīng)用?

在AI上:隨著應(yīng)用的不斷拓展,我們面臨統(tǒng)計(jì)相關(guān)AI計(jì)算模式不可解釋、不可調(diào)試的問題,同時(shí)還有很大的能效挑戰(zhàn)。我們能不能向生物界學(xué)習(xí),例如螞蟻,小小的螞蟻大腦一般只有0.2毫瓦的能耗,它既不用深度學(xué)習(xí)、也不需要遵循可計(jì)算性理論和馮·諾依曼架構(gòu),但是卻能夠跑來跑去做很多復(fù)雜的事情,例如筑巢、尋找食物、養(yǎng)蚜蟲等等。目前的自動(dòng)駕駛汽車還需要幾十瓦甚至幾百瓦來進(jìn)行計(jì)算,在能效上與螞蟻相比還有很大的差距。因此在AI領(lǐng)域,除了統(tǒng)計(jì)和相關(guān)計(jì)算模式外,能不能進(jìn)一步發(fā)展出數(shù)理邏輯計(jì)算模式、幾何流形計(jì)算模式、博弈計(jì)算模式等?

在科學(xué)計(jì)算上:我們大量用到矩陣,對(duì)于兩個(gè)n行n列矩陣的乘法,如果按照原始簡(jiǎn)單算法,復(fù)雜度是n的3次方,1969年德國(guó)數(shù)學(xué)家創(chuàng)造的斯特拉森算法,將復(fù)雜度降低到n的2.807次方,2020年底MIT的Williams與哈佛的Alman給出一個(gè)復(fù)雜度是n的2.3728596次方算法。

在矩陣計(jì)算中,我們更關(guān)心稀疏線性方程組求解,因?yàn)樵谏鐣?huì)科學(xué)中,地球上有幾十億人,平均每個(gè)人只維持不超過200個(gè)有效關(guān)系;在芯片設(shè)計(jì)中,大部分元件的限制條件是局部的。在這個(gè)領(lǐng)域,佐治亞理工大學(xué)的彭泱等人發(fā)明了計(jì)算復(fù)雜度為n的2.3316次方的先進(jìn)算法,獲得了計(jì)算理論頂會(huì)SODA的2021年最佳論文獎(jiǎng)。幾個(gè)月前我們的數(shù)學(xué)家發(fā)明了一個(gè)更新的算法,將復(fù)雜度下降到n的2.28次方,比彭泱等人的算法降低了0.0516次方,這個(gè)進(jìn)步意味著什么呢?對(duì)n=100萬來說,計(jì)算復(fù)雜度將能進(jìn)一步下降約45%。

在具體實(shí)現(xiàn)上,超級(jí)計(jì)算機(jī)往往要用巨大的能耗來實(shí)現(xiàn)大算力,例如3千萬瓦實(shí)現(xiàn)近500PFLOPS算力,而人腦大約用20W可以做到近30PFLOPS,效率高了約八萬倍。

從這個(gè)角度看,我們是不是要發(fā)展適應(yīng)性與高效性計(jì)算模式,創(chuàng)造新架構(gòu)與新部件,而不要受限于傳統(tǒng)的可計(jì)算性理論、以及馮·諾依曼架構(gòu)?

四:突破香農(nóng)定律的假設(shè),在更大的時(shí)空中發(fā)展信息通信

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第四是在有別于香農(nóng)定律的假設(shè)、以及更大的時(shí)空中探索信息通信,從而跨越空間的障礙,建設(shè)全球直達(dá)的能力,連接虛擬與現(xiàn)實(shí)世界、以及無處不在的機(jī)器。

將來的真人級(jí)全息通訊,如果不壓縮數(shù)據(jù),需要接近2Tbps的帶寬,以及1-5ms的時(shí)延;

自動(dòng)駕駛?cè)绻捎?2個(gè)攝像頭,每天可能產(chǎn)生高達(dá)4T字節(jié)的數(shù)據(jù),目前的5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)容量。

對(duì)于這些挑戰(zhàn),我們是不是有足夠的理論和技術(shù)來實(shí)現(xiàn)呢?我認(rèn)為這是可能的。

例如,在理論上,如果我們假設(shè)這個(gè)世界是有先驗(yàn)知識(shí)、有記憶的,就可能跳出香農(nóng)1/2/3定律的限制。在工程上,一個(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器可以同時(shí)產(chǎn)生幾百個(gè)波長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)上百T的流量;未來如果我們能做出高重頻阿秒激光器,甚至可能產(chǎn)生百萬T的流量。這些技術(shù)如果能嫁接到無線和光領(lǐng)域,是不是可以成千上萬倍提升通信性能?

打通科學(xué)假設(shè)與商業(yè)愿景,創(chuàng)造知識(shí)與價(jià)值

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為了打通科學(xué)假設(shè)與商業(yè)愿景,我們把創(chuàng)新分成前后相關(guān)的5個(gè)環(huán)節(jié):從假設(shè)和愿景,到理論、技術(shù)和商業(yè)創(chuàng)新。

越靠近后端商業(yè)、客戶和用戶的創(chuàng)新,效果就越明顯;而越靠近前端假設(shè)、愿景和基礎(chǔ)科學(xué),就越需要耐心。

面向未來,我們要敢于向前端基礎(chǔ)研究尋求答案。

在基礎(chǔ)科學(xué)研究上,除了支持以科學(xué)家興趣驅(qū)動(dòng)的“波爾象限”創(chuàng)新外,我們希望與伙伴一起探索“巴斯德象限”創(chuàng)新,這樣既能拓展科學(xué)認(rèn)知,也能創(chuàng)造應(yīng)用價(jià)值。

面向未來的10個(gè)問題和挑戰(zhàn)

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圍繞前面4個(gè)假設(shè)與愿景,聚焦“巴斯德象限”,我們提煉出面向未來可以重點(diǎn)考慮的兩個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題,以及8個(gè)前沿技術(shù)挑戰(zhàn)。

第一個(gè)科學(xué)問題是機(jī)器如何認(rèn)知世界,能不能建立適合機(jī)器理解世界的模型?

第二個(gè)科學(xué)問題是如何理解人的生理學(xué)模型,尤其人體八大子系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制,以及人的意圖和智能?

前沿技術(shù)挑戰(zhàn)包括:

在人機(jī)接口上如何發(fā)展新的感知和控制能力,例如腦機(jī)和肌機(jī)接口、3D顯示、虛擬觸覺、嗅覺、味覺等等

在健康上如何連續(xù)地、無感知地測(cè)量人的血壓、血糖和心電?能不能通過AI強(qiáng)人工智能幫助發(fā)明新的化學(xué)藥、生物藥和疫苗?

在軟件上如何發(fā)展以應(yīng)用為中心,面向價(jià)值與體驗(yàn)的高效率自動(dòng)化和智能化軟件?

在通信上如何接近和擴(kuò)展香農(nóng)極限,實(shí)現(xiàn)區(qū)域級(jí)和全球級(jí)的高效、高性能連接?

在計(jì)算上如何發(fā)展適應(yīng)性與高效率的計(jì)算模式、發(fā)展非馮·諾伊曼計(jì)算架構(gòu)與非傳統(tǒng)部件、發(fā)展可解釋和可調(diào)試AI?

在材料上,如何通過AI幫助發(fā)明新的分子、催化劑和器件?

在制造上如何發(fā)展出超越傳統(tǒng)CMOS制造的技術(shù),達(dá)到更低成本、更高的效率?

在能源上能不能發(fā)展出安全、高效的能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能,提供按需服務(wù)?

最大的力是合力,最強(qiáng)的智是眾智

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華為正以開放的心態(tài),與全世界伙伴一起創(chuàng)造。

4月30日我們計(jì)劃推出線上黃大年茶思屋,希望建設(shè)成一個(gè)科學(xué)和技術(shù)交流的通道,向全社會(huì)開放。

在黃大年茶思屋上,我們將總結(jié)和提煉出挑戰(zhàn)的課題,邀請(qǐng)全球優(yōu)秀人才來一起探索創(chuàng)新。

今天,我們對(duì)數(shù)字技術(shù)的所有想象都是保守的

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三十年前,我在大學(xué)的時(shí)候,還需要排長(zhǎng)隊(duì)來打長(zhǎng)途電話,完全無法想象有一天能夠拿著一個(gè)小盒子,不需要任何連線就可以隨時(shí)隨地與遠(yuǎn)方的家人視頻溝通,可以通過這個(gè)小盒子可以連接世界,干很多事情,這在當(dāng)時(shí)太科幻了。

我們現(xiàn)在對(duì)于未來的所有想象可能都是保守的,因此我們要更加勇敢,希望能和學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界一起,重構(gòu)基礎(chǔ)理論、重構(gòu)架構(gòu)、重構(gòu)軟件,共同探索、開創(chuàng)未來!

謝謝大家!

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