论文部分内容阅读
编者按：李露，“学霸”一枚（本刊2012年12月（上）报道），爱好广泛，古筝九级，合唱团、广播台都有她活跃的身影。学习中，她常常发现不同学科之间的相通之处。也许是外在表现的相似，也许是内在结构的相近，又或许是核心理念的匹配。李露记录下了自己的发现，在这里与大家分享一点心得。
从蚂蚁搬家到大规模集成电路
我作为一个工科生，电子、计算机方面的课程是必修课程。计算机微处理器与大规模集成电路中“并行处理”的核心工作原理，我是在看了一篇英语阅读文章并联想到相关生物实例后才真正理解。
那篇英语阅读讲了生物体系中的两种生存模式：蜜蜂成群出去觅食和蚂蚁单个排队觅食。我们也许都听过蜜蜂交流表达的方式是跳舞，但是很少有人注意到它们出去寻找食物花粉时结伴而行的特点。结伴而行，群居生活，这似乎都不是什么新鲜事。蜜蜂成群出行，实际上是以一种特殊的三维几何学模型队列飞行，飞行距离不长，也许是担心失去回行的路线和方向，也许是担心采集食物中途的丢失，也许是担心体力的不济。在距离花粉较近的区域，这样成群觅食的蜜蜂能在短时间带回大量的花粉，再拿去酿蜜，食物储备较快地就充足起来了。
如若你细细观察，蚂蚁搬运食物也是以队列出行，不过几乎是一列队形，少有几列队伍同时行进。若是从人类的视角居高临下俯视，会看到土地上一条蜿蜒的、流动着的黑线，似乎也不是很长。但是对于蚂蚁来说，这却是漫漫“长征”了。单列而行，在出发地和目的地总有同伴，丢失路线的可能性很小。而且，长途运输食物也显得更为可靠：食物是被交换着运送回大本营的。一只蚂蚁累了，立马有一只蚂蚁接过食物，继续运回。但是，这种方案要相当长的时间才能堆积起一个季度所需的粮食储备。
你说蜜蜂蚂蚁这两种觅食的方案，孰优孰劣？
也许你根本就不能全盘肯定一方，全盘否定另一方。长时间大自然的进化造就了这样一个丰富多彩、差异横生的生物系统。每个物种、每个群落的生活方式自有适于个体生存、适于整个自然世界发展的道理。
蜜蜂成群出行的情景我难以得见，当然也怕被蜇成大肿脸不敢试验。蚂蚁运食却是从小就见到，再寻常不过了。但是这么一对比，我突然发现其中的奥妙来。
你说电子和计算机世界里的串行、并行工作方式是不是也像这生物系统？
微处理器外几乎一切数据和信息的传递都是串行的。数据流可以穿过高山、大海，经过漫漫长路。但是微处理器内部的数据处理却是并行的。就集成在一块芯片上的中央控制器、各种寄存器、存储器、输入输出接口等等在一秒内就能处理亿万次的计算，能执行无数的指令。但在CPU内部数据的传输距离却是很短的。从工程学理论来分析，一方面能量的供应只能维持短距离的数据传输；另一方面，长距离传输降低了数据传递的可靠性，差错率等等会因距离过长而大大提高。
大规模的集成电路也是这样。许多电子设备、计算机芯片都要设置“串并接口”，为的是外部串行的信息自如地进入处理器内变成并行数据。
如果单单记忆书本上的概念，单单背出“冯·诺依曼”的结构图，我考试卷上不会答错，但是我永远都无法真正理解串并处理的奥妙。生物学上看似毫无关联的生存法则、大自然中那些不经意的小事，蕴含着能够指引人类前行的巨大智慧啊！在一段时间后一篇科技历史文献的阅读中，我惊喜地印证了自己的想法。计算机领域的奠基人Philip Emeagwali所做的重大突破——超级并行计算机系统的设计就是受了一个叫做honeycomb的三维蜜蜂生态几何模型的影响。
不得不说，看到这时，我是感动得热泪盈眶了！
还有什么比发现知识的融会贯通，万物的相生相辅更令人振奋激动的事呢？
从人口学到通信系统
除了生物学中生态系统理论和计算机工程学上这美妙的联系，我在学习信号分析理论课程、建立通信系统模型的时候还发现了一个有趣的现象：看似八竿子打不着的社科人口学和信道分析也有重叠辉映的影子。
这还得从我闲暇时浏览手机报中的一篇《人口发展白皮书》说起，人口学是人文社科方面研究人口发展模式的一门学科。《人口发展白皮书》讲述了自有文明开始人类人口的发展情况。考虑到各种社会因素的影响，如果宏观经济一片大好，失业率低下，国际政治格局稳定，没有战争带来的家破人亡，人类科技稳步前行，文化理念、社会心态正常和谐……人口发展的数量、质量都具有稳定而有规律的变化方式。
但是历史中往往也有不可预料的因素。比如天灾的爆发，那瞬间覆灭的玛雅文明之谜至今未解，成为考古研究、人类文明发展中的断层。火山的爆发使庞培古城瞬间被埋于地下，考古学家发现挖掘出的化石依然显现出当时庞培人的正常生活状态，或是正在睡觉、或是正在做饭。一个种族、一个文明就这样突然地消失。这是通过传统人口学理论能够预见的吗？
完全不能。
因此有人会担心这世界一切未知因素所带来的灾难，我认为这纯属杞人忧天。就好像弄得人心惶惶、人口相传的“2012世界末日说”一般，我只是一笑而过，不以为意。因为这样的突发现象在历史长河中十分稀少，实属小概率事件，无规则的“变异”也许只占不到全部情况的百分之一！
再联想信号理论学科，甚至是实际的通信系统。信号理论学中研究的主要对象是有用信号和随机噪声。通信系统中一个最基本的模型便是有用信号通过一个信道输出到另一个端点，因在信道的传输的过程中加上了随机噪声，才有了后面的信号提取、噪声滤除。并且，一般而言，被加入的噪声和原信号相比都是很小的，观察声卡采集的人声波形图，你能够大概区分出你说话的声音信号和周围的环境噪声。并且你会发现，声音尖细的女声测得的频率高，声音低沉的男声测得的频率低，但是噪声却是随机变化，无迹可寻的。
那么请你联想一下：沿一定规律变化的有用信号（比如一定幅度、频率的正弦波信号）是不是好像人口发展中占主导因素的稳定模型？信道中不可避免的随机噪声就好似人类发展中那些无法预料的突发因素？
对于信道中的随机噪声，它于通信系统或是终端用户而言是没有用的信息，是干扰量、阻碍量，所以我们要提取有用信号，滤除无用噪声。我们分析人口发展模型，更看重的也是基于政治、经济、文化、生态环境等等一般性的规律，但我们又无法忽视那不可预料的突变因素，我们总是想尽各种办法希望排除阻碍人类进步的干扰因素。比如，我们不希望我国一些地区“重男轻女”的文化思想导致男女比例失衡，使得将来的二十年产生大量光棍；我们不希望气候异常、环境突变造成粮食产量的大规模减小，使得人类因为严重的饥荒而导致营养不良甚至是数量锐减。
一个微观而简单的正弦信号通过有噪的通信信道模型，竟然和宏观上的人口学中人类发展模式有惊人的相似相通之处，不得不令我再次感叹这世界的奇妙！我时常大胆想象：是不是有些真理，随着宇宙大爆炸、地球上文明的诞生就已经确定了呢？这世界，既是自然发展着的生态世界、拥有历史积淀的文明世界，又是我们通过强大的智慧所创造出的科学世界。我们一边分析着这个世界的文化、历史，我们一边也创造着能为我们所用的理论系统、实践工程。也许冥冥间我们早已联系起了许多看似无关的现象，利用并改善这个世界。
也许，这就是人类能够在这美丽的地球家园中代代繁荣的原因吧！
文学艺术能交相辉映，基础科学同应用工程学能藕断丝连，人文社科同数理工程也有相通之处。这一切，是不是很有意思呢？
差异，是一定会存在的，正是因为差异性和不可替代的独特性，才有了具体的学科分类。但是，形态和机理的相似，却是这千般万种差异中的一抹亮色。我不知道你是否也曾有过这样的发现，不知道你会作何感受。但是，于我而言，我仿佛饱尝了人间最鲜美的甘露，觉得源源不断的创造力奔涌而出，觉得这是自然万物、天地之间最和谐的美。我愿意深刻地理解这种种差异，我更愿意钻研这细微而不经意的联系。我相信，这样的融会贯通会带领我们迈向生命中新的台阶。
责任编辑：张婷
从蚂蚁搬家到大规模集成电路
我作为一个工科生，电子、计算机方面的课程是必修课程。计算机微处理器与大规模集成电路中“并行处理”的核心工作原理，我是在看了一篇英语阅读文章并联想到相关生物实例后才真正理解。
那篇英语阅读讲了生物体系中的两种生存模式：蜜蜂成群出去觅食和蚂蚁单个排队觅食。我们也许都听过蜜蜂交流表达的方式是跳舞，但是很少有人注意到它们出去寻找食物花粉时结伴而行的特点。结伴而行，群居生活，这似乎都不是什么新鲜事。蜜蜂成群出行，实际上是以一种特殊的三维几何学模型队列飞行，飞行距离不长，也许是担心失去回行的路线和方向，也许是担心采集食物中途的丢失，也许是担心体力的不济。在距离花粉较近的区域，这样成群觅食的蜜蜂能在短时间带回大量的花粉，再拿去酿蜜，食物储备较快地就充足起来了。
如若你细细观察，蚂蚁搬运食物也是以队列出行，不过几乎是一列队形，少有几列队伍同时行进。若是从人类的视角居高临下俯视，会看到土地上一条蜿蜒的、流动着的黑线，似乎也不是很长。但是对于蚂蚁来说，这却是漫漫“长征”了。单列而行，在出发地和目的地总有同伴，丢失路线的可能性很小。而且，长途运输食物也显得更为可靠：食物是被交换着运送回大本营的。一只蚂蚁累了，立马有一只蚂蚁接过食物，继续运回。但是，这种方案要相当长的时间才能堆积起一个季度所需的粮食储备。
你说蜜蜂蚂蚁这两种觅食的方案，孰优孰劣？
也许你根本就不能全盘肯定一方，全盘否定另一方。长时间大自然的进化造就了这样一个丰富多彩、差异横生的生物系统。每个物种、每个群落的生活方式自有适于个体生存、适于整个自然世界发展的道理。
蜜蜂成群出行的情景我难以得见，当然也怕被蜇成大肿脸不敢试验。蚂蚁运食却是从小就见到，再寻常不过了。但是这么一对比，我突然发现其中的奥妙来。
你说电子和计算机世界里的串行、并行工作方式是不是也像这生物系统？
微处理器外几乎一切数据和信息的传递都是串行的。数据流可以穿过高山、大海，经过漫漫长路。但是微处理器内部的数据处理却是并行的。就集成在一块芯片上的中央控制器、各种寄存器、存储器、输入输出接口等等在一秒内就能处理亿万次的计算，能执行无数的指令。但在CPU内部数据的传输距离却是很短的。从工程学理论来分析，一方面能量的供应只能维持短距离的数据传输；另一方面，长距离传输降低了数据传递的可靠性，差错率等等会因距离过长而大大提高。
大规模的集成电路也是这样。许多电子设备、计算机芯片都要设置“串并接口”，为的是外部串行的信息自如地进入处理器内变成并行数据。
如果单单记忆书本上的概念，单单背出“冯·诺依曼”的结构图，我考试卷上不会答错，但是我永远都无法真正理解串并处理的奥妙。生物学上看似毫无关联的生存法则、大自然中那些不经意的小事，蕴含着能够指引人类前行的巨大智慧啊！在一段时间后一篇科技历史文献的阅读中，我惊喜地印证了自己的想法。计算机领域的奠基人Philip Emeagwali所做的重大突破——超级并行计算机系统的设计就是受了一个叫做honeycomb的三维蜜蜂生态几何模型的影响。
不得不说，看到这时，我是感动得热泪盈眶了！
还有什么比发现知识的融会贯通，万物的相生相辅更令人振奋激动的事呢？
从人口学到通信系统
除了生物学中生态系统理论和计算机工程学上这美妙的联系，我在学习信号分析理论课程、建立通信系统模型的时候还发现了一个有趣的现象：看似八竿子打不着的社科人口学和信道分析也有重叠辉映的影子。
这还得从我闲暇时浏览手机报中的一篇《人口发展白皮书》说起，人口学是人文社科方面研究人口发展模式的一门学科。《人口发展白皮书》讲述了自有文明开始人类人口的发展情况。考虑到各种社会因素的影响，如果宏观经济一片大好，失业率低下，国际政治格局稳定，没有战争带来的家破人亡，人类科技稳步前行，文化理念、社会心态正常和谐……人口发展的数量、质量都具有稳定而有规律的变化方式。
但是历史中往往也有不可预料的因素。比如天灾的爆发，那瞬间覆灭的玛雅文明之谜至今未解，成为考古研究、人类文明发展中的断层。火山的爆发使庞培古城瞬间被埋于地下，考古学家发现挖掘出的化石依然显现出当时庞培人的正常生活状态，或是正在睡觉、或是正在做饭。一个种族、一个文明就这样突然地消失。这是通过传统人口学理论能够预见的吗？
完全不能。
因此有人会担心这世界一切未知因素所带来的灾难，我认为这纯属杞人忧天。就好像弄得人心惶惶、人口相传的“2012世界末日说”一般，我只是一笑而过，不以为意。因为这样的突发现象在历史长河中十分稀少，实属小概率事件，无规则的“变异”也许只占不到全部情况的百分之一！
再联想信号理论学科，甚至是实际的通信系统。信号理论学中研究的主要对象是有用信号和随机噪声。通信系统中一个最基本的模型便是有用信号通过一个信道输出到另一个端点，因在信道的传输的过程中加上了随机噪声，才有了后面的信号提取、噪声滤除。并且，一般而言，被加入的噪声和原信号相比都是很小的，观察声卡采集的人声波形图，你能够大概区分出你说话的声音信号和周围的环境噪声。并且你会发现，声音尖细的女声测得的频率高，声音低沉的男声测得的频率低，但是噪声却是随机变化，无迹可寻的。
那么请你联想一下：沿一定规律变化的有用信号（比如一定幅度、频率的正弦波信号）是不是好像人口发展中占主导因素的稳定模型？信道中不可避免的随机噪声就好似人类发展中那些无法预料的突发因素？
对于信道中的随机噪声，它于通信系统或是终端用户而言是没有用的信息，是干扰量、阻碍量，所以我们要提取有用信号，滤除无用噪声。我们分析人口发展模型，更看重的也是基于政治、经济、文化、生态环境等等一般性的规律，但我们又无法忽视那不可预料的突变因素，我们总是想尽各种办法希望排除阻碍人类进步的干扰因素。比如，我们不希望我国一些地区“重男轻女”的文化思想导致男女比例失衡，使得将来的二十年产生大量光棍；我们不希望气候异常、环境突变造成粮食产量的大规模减小，使得人类因为严重的饥荒而导致营养不良甚至是数量锐减。
一个微观而简单的正弦信号通过有噪的通信信道模型，竟然和宏观上的人口学中人类发展模式有惊人的相似相通之处，不得不令我再次感叹这世界的奇妙！我时常大胆想象：是不是有些真理，随着宇宙大爆炸、地球上文明的诞生就已经确定了呢？这世界，既是自然发展着的生态世界、拥有历史积淀的文明世界，又是我们通过强大的智慧所创造出的科学世界。我们一边分析着这个世界的文化、历史，我们一边也创造着能为我们所用的理论系统、实践工程。也许冥冥间我们早已联系起了许多看似无关的现象，利用并改善这个世界。
也许，这就是人类能够在这美丽的地球家园中代代繁荣的原因吧！
文学艺术能交相辉映，基础科学同应用工程学能藕断丝连，人文社科同数理工程也有相通之处。这一切，是不是很有意思呢？
差异，是一定会存在的，正是因为差异性和不可替代的独特性，才有了具体的学科分类。但是，形态和机理的相似，却是这千般万种差异中的一抹亮色。我不知道你是否也曾有过这样的发现，不知道你会作何感受。但是，于我而言，我仿佛饱尝了人间最鲜美的甘露，觉得源源不断的创造力奔涌而出，觉得这是自然万物、天地之间最和谐的美。我愿意深刻地理解这种种差异，我更愿意钻研这细微而不经意的联系。我相信，这样的融会贯通会带领我们迈向生命中新的台阶。
责任编辑：张婷