信息传3

信息传

前言 用更少的能量传输、处理和存储更多的信息

　　我们生逢信息社会，需要对信息有所了解。然而不同于农耕时代的谷物，或者工业时代的钢铁，信息看得见却摸不着。对于谷物和钢铁，我们可以从数量上衡量它们的多少，同时度量相应的地区和文明的发达程度，但是信息不同，我们很难度量它们。即便我们能够度量它们，似乎也不能把它们直接和财富、经济发展或者生活水平挂钩。因此，我们虽然人人生活在信息时代，却很少有人能道得清、说得明信息是什么，它又是如何决定和影响我们的生活的。这便是促使我写《信息传》一书的原因。理解信息可以从以下三个维度入手即什么是信息、信息技术的本质和信息的历史。 

　　什么是信息 

　　70 多年前，我们这个星球上最聪明的一些头脑，时常聚集在纽约最古老的比克曼酒店，讨论后工业时代层次的科学问题，其中包括冯·诺伊曼、图灵、维纳和香农等人。信息的本质是大家讨论的热门话题之一。虽然有些科学家依然将信息和其中所包含的具体含义相联系，但是香农却开宗明义地告诉大家，所谓信息的含义根本不重要，它的表现形式（比如文字、图形或者声音）更不重要，甚至很多信息就没有含义。所谓信息，不过是对一些不确定性的度量。而信息的意义就在于，使用它能够消除一个藏在黑盒子里的未知世界的不确定性，从而达到了解它的目的。用这种方式认识世界，是信息时代最根本的世界观和方法论。 

　　自从人类进入文明社会以来，能量和信息就是衡量我们这个世界文明程度的硬性标准。一种文明能够开发和利用的能量越多，文明水平就越高；同样，一种文明能够创造、使用和传输的信息越多，手段越有效，其文明水平就越高。中国古代文明能够在长达上千年的时间里在世界上维持较高的水平，和便宜的纸张、普及的印刷术有很大关系。进入 19 世纪之后，电的使用催生出了近代的信息产业，而我们能够说得出来的对人类影响最大的那些发明创造，一大半都和信息有关，包括电报、电话、电影、无线电、大众传媒、计算机、移动通信、卫星技术、互联网等。可以讲，自那时开始，信息技术的发展历史，就是半部技术和商业进步的历史。可以说，信息是带动经济和社会发展的火车头。 

　　我们今天已经无法想象每天的生活如果离开了信息或者信息技术，将会什么样。2018 年，世界上制造出来的集成电路芯片首次超过 1 万亿片，它们广泛地存在于我们生活的各种日用品中，帮助我们进行生产和提供服务，替我们节省了许多体力和脑力。今天，我们对整个社会的管理，对经济生活的维持，都是在上万亿片芯片的帮助下完成的。而这些芯片的背后，则是流动的信息。 

　　信息技术的本质 

　　理解了信息是什么，我们或许应该更多地了解一下信息技术本身，以便我们在日常工作学习中可以更好地收集和利用信息。信息技术从本质上讲，可以概括成信息的传输、处理和存储技术。 

　　电报、电话、手机通信和互联网，都是传输信息的手段，计算机和各种控制系统则是处理信息的工具，纸张、胶卷、磁带、光盘、半导体存储器，则是存储信息的媒介。全世界信息技术的发展，都是沿着用更少的能量传输、处理和存储更多的信息这条主线来进行的。我们知道，电报比“六百里加急”（古代驿站传送信息的方式）快，电话传输的信息比电报多，互联网则更加方便有效。其实，从本质上来讲，这些进步都可以看成单位能耗所传输信息量的提高。在移动通信中，从 1G（第一代移动通信技术）到 5G（第五代移动通信技术），单位能耗的信息传输率提高了 5 个数量级左右，这就是通信发展的根本趋势。处理信息也是如此。尽管 1946 年世界上第一台电子计算机埃尼亚克耗电量高达 150 千瓦，但是进行一次计算依然比机械计算机更能节省能量。2016 年，谷歌的 AlphaGo 在围棋比赛中战胜了世界冠军李世石九段，如果用埃尼亚克的技术来实现 AlphaGo 的计算量，则需要消耗掉 400 万个三峡发电站的峰值发电量。类似地，在信息存储方面，我们今天一台服务器就可以存下世界上最大的图书馆——美国国会图书馆纸质媒体上的全部内容。这就是技术进步，而且这个进步的速度，比信息时代到来之前加快了很多。 

　　今天，每一个人对摩尔定律几乎都不陌生，它道出了信息产业高速发展的规律。但是很多人会担心，当半导体集成电路技术发展到物理的极限水平时，未来的世界该如何发展。其实，我们的世界依然会沿着用更少的能量传输、处理和存储更多信息的趋势继续发展。2017 年，谷歌和英伟达推出了人工智能芯片，用于机器学习。这些芯片单位能耗的计算速度比英特尔的处理器要快上千倍，尽管那些芯片的复杂程度相比后者并没有提高。 

　　信息的历史 

　　我们这本书讲述的是信息的历史，它的起点是莫尔斯发明电报码。我们之所以选择这件事作为起点，而不是更早的一些事件，比如文字的起源和印刷术的发明，不仅因为电报是第一项近代的通信技术，更因为它和我们今天理解的信息有较大的相关性，或者说我们今天用到的很多信息技术，比如信息编码技术、信息传输技术，都和电报有继承性。因此，对电报的了解可以帮助我们理解今天技术发展的脉络。 

　　信息的历史大致可以分为两个阶段——自发的时代和自觉的时代，而划时代的代表人物是香农。在香农之前，虽然人类有了电报、电话、无线电、电视机以及机械计算机等信息技术的成就，但是人类并不了解信息的本质和它的规律，因此依然处在黑暗中摸索的阶段，那时候的成功有很大的偶然性。如特斯拉和巴贝奇这样的天才，他们完全无法明白自己的很多努力其实完全走错了方向。特斯拉的竞争对手马可尼与其说比特斯拉水平更高，不如说比他更加幸运。由于不了解信息的本质，有时甚至还会受丢失信息和相信错误信息之害。因此，这个阶段还只能被称为信息科技发展的自发时代。 

　　在香农之后，从信息的维度来看，整个世界为之一变。香农用一个被称为“熵”的概念和三个非常简洁的定律，描述了信息科学的本质。它们就是我们今天所说的信息论的核心。以后信息科学和工程的发展，其实都是在香农信息论的指导下进行的，人类从此几乎没有再犯过什么大的错误，也没有走太多的弯路。从 1G 到 5G 移动通信的发展，无非是工程师按照香农第二定律指出的方向，根据各个时代能够获得的技术，对信息编码和传输技术进行持续改进而已。在第二次世界大战之后，世界上没有再发生过灾难性的密码被破译事件，这在很大程度上要感谢香农道出了信息加密的本质，即在噪声通道中的通信问题。因此，从那时到今天，可以讲是信息科技发展的自觉时代。 

　　在信息的历史上，一方面我们会看到一些极为聪明与智慧的头脑，他们几乎是以一己之力改变了文明的发展进程。1936 年，24 岁的图灵和 20 岁的香农，分别解决了使用机器处理信息的两个基础理论问题，这促成了后来电子计算机的诞生。从莫尔斯开始，这种宛如超新星爆发的时刻时有发生，那些历史读起来让人荡气回肠，那些内容构成了我们这本书很重要的一部分。但是，另一方面，信息科学和产业的进步，则是很多科学家和工程师共同努力的结果。从 1G 到今天的 5G，我们很少能听到某一个特殊贡献者的名字，但是我们今天每一个人都在享受着这个行业从业者们的贡献。类似地，虽然我们把描述信息产业规律的定律以摩尔的名字命名，但是真正让这个产业在半个多世纪里翻番增长的原因，却是英特尔等公司默默奉献的工程师。