数学与工程的架桥人 创新突破的追风者——记代数交换硬核技术发明人朱键博士

王 辉

繁华富丽的南山区一直是深圳的科研中心，如果用超广角镜头向下俯拍，你会发现这里坐落着以创造财富密度高而著称的深圳科技园，其间大大小小的高新科技企业星罗棋布，承载着各种知名科技巨头的建筑鳞次栉比，处处充满着科技与现代感。如果将镜头快速推进，视野范围不断缩小，最终将目光定焦在科技园南区的香港中文大学深圳研究院，这便是朱键博士及其团队在深圳开展创新研究的场所。在这里，朱键主导建立了香港中文大学网络编码研究所（深圳）和深圳网络编码关键技术及应用重点实验室，并聚焦团队首创的网络编码学科、代数交换理论的学术研究和关键技术开发，推进其在互联网、数据存储、数据交换、并行计算、无线通信、深空网络等产业前沿的应用。团队掌握的代数学交换和网络编码创新技术一直走在全国乃至世界前列。从某种程度上来说，网络编码研究所和重点实验室就是网络编码和代数交换领域的“国家队”。

朱键

事实上，代数交换和网络编码如今已经成为突破新一代信息技术中机器算力、数据效率、带宽能效等瓶颈的尖刀利刃。这正是朱键花20多年心血潜心钻研的领域，其代表性成果有代数交换Cut-through（一种零延时无缓存自寻路由决策机器）创新发明、Cut-through switching fabric（零延时无缓存自主交换引擎）和Cut-through sorting（零延时无缓存排序引擎）硬核技术，以及网络编码空间容迟容断卫星网络应用、网络编码分布式存储技术的产业化等。

这些年专注创新和创新思维，朱键致力于填平抽象理念与工程技术之间的鸿沟。对硬核技术的不懈追求一直让他在科研工作中不断地经历抽象与物化、贯性与叛逆、颠覆与重塑、挣扎与反复、求证与否定，从中寻求突破。如果说代数交换和网络编码使得他和创新突破连在一起，那么，对原创和硬核技术的追求，则让他和创新突破之间的纽带变得更为坚韧和牢固。

朱键一直反复强调自己只是一名普普通通的科研人员，在代数交换和网络编码领域“只是有很多的梦想去追”。他有个网名叫“追风”——对他来说，保持一种“追”的态势代表了一种境界，也是一种理想，他想做创新突破的追风者、践行者！

数据潮流下的挑战

我们都曾体会到，驱动以互联网、大数据和人工智能为标志的信息技术发展的动力是网络传输技术和机器算力技术的不断提升。换句话说，数据潮流下的挑战是网络和算力的比拼，下一代信息技术何去何从很大程度上取决于两者的技术突破。那么，是靠新材料还是靠技术方法的创新实现呢？

朱键认为，这需要从两个维度去突破，互相加持。“新材料新工艺从物理层面去挖掘潜力，为创新突破提供更大空间。创新突破要另辟蹊径开拓新硬核技术。”热衷于创新突破的他，自然朝着硬核前行。

众所周知，无论什么事物，都有其内在机理，这种机理越抽象就越能体现事物的本质，但工程技术却是现实物理及底层逻辑的总成。数学的抽象，工程的实际，犹如时空穿越，如何关联融合？“创新突破就是要架设数学科技与工程技术之间的桥，把两者有机地关联在一起，”朱键直接点道并举例，“比如数据交换，长久以来都被机械地理解成数据搬运工，人们不愿更深层次地去发现数学科技的本质。代数交换就是以数学的视角去揭示交换的内在机理。”朱键又举例：“网络是什么？大多数人都只看到网络是大量点到点通信链路以某种形式构成的通信平台”“人们习惯用点对点思维去利用网络，所以理所当然走‘存储转发’这条路，这就是局限”。大量点对点链路构成的网络，肯定不是单纯的点对点。那么，当网络不再只是点对点的概念后，会是怎样呢？“这就是网络编码创新学科解决的问题！”朱键如是回答并进一步诠释，“网络编码不再把数据视为物流中的货物，彻底摒弃存储转发机制，利用它们本来就虚化的特性，用数学科学原理将它们做柔合分解传输处理，使得网络更高效、更安全、更可靠。”

在科研工作中喜欢钻研新思路的朱键，尤其擅长将抽象数学理论与创新的工程技术连接起来，并想方设法去实现技术突破。在找到代数交换可实现这个重要突破及当中的数学机理之后，他开始有条不紊地开展其硬核技术工程实现的相关工作。

朱键在旧金山一家图书馆看书

经过一次次的尝试、推演、推翻和再验证，朱键最终成功发明出了极具个人特质重要研究成果的核心研究成果——代数交换Cut-through技术。这项技术使得网络通路中的每个决策单元大大缩小，信息调度时间极大地缩短，从而显著提升了网络数据交换的速度。Cut-through代数交换技术的面世使相关领域创新突破的进程往前迈出了关键一步，让代数交换抽象理论用芯片来实现成为现实。而朱键也被他的博士生导师——网络编码学科创始人之一、代数交换之父、香港中文大学李硕彦教授形容其成果是信息技术的重要发现，评价他是自己从教生涯中“唯一能填补抽象理论和工程技术鸿沟的弟子”。朱键的多项美国专利还被中国台湾工业技术研究院（ITRI）评为杰出美国专利。紧接着，他又开发出全球第一片代数交换芯片、全球第一个代数交换原型系统，并成功实现相关技术的应用转化。现在，朱键又完成了Cut-through sorting硬核技术的发明，解决了计算领域又一大难题。相关技术突破有益于提高机器算力。

艰难困苦玉汝于成，回首成果取得的历程，朱键称在整个研究过程中他都是摸着石头过河，没有前人的经验可供借鉴，而他自身也钟情于创新技术的探索，喜欢做别人尚未开拓的领域。对新技术的好奇，总是驱使着他不断地去发现：“不是行业做什么，你就得跟着做什么，很多时候，你必须得走在前面去努力引领行业的发展。”朱键很清楚，一个仍处于发展中的创新学科，只有研发出原创且足够硬核的技术成果，才能有效地推动领域的发展。对他来说，能够支撑工程成果保持原创且硬核特点的重要因素，便是数学理论。

数学与工程的桥梁

朱键最开始对科学实验产生兴趣是在很小的时候，那时的他还没有将科学实验与数学结合在一起的概念。彼时尚在读小学的朱键具有小男孩的所有特征：活泼、好动、爱幻想、对一切新事物都充满了好奇，但凡看到新奇的玩意儿，总忍不住冲动想要琢磨透这个东西到底是怎么运行的。常常，家里的收音机等各种电子设备就变成了他最宝贝的“玩具”，拆拆装装，好不有趣。“我那时就想搞明白是不是有人在收音机里唱歌，不然歌声是哪儿来的呢？”看到电视时，他也会好奇：“电视是怎么能形成人像呢？”朱键的父亲是电力专家，当发现他对无线电兴趣浓厚且动手能力很强时，就时常买来各种电子管、二极管、三极管元器件供他恣意发挥，跟他讲无线电的原理，陪同他一起装收音机、收发报机和电视机，还给他讲解计算机相关知识。渐渐地，朱键的巨大好奇心也愈加难以被满足，随着学习的深入，他开始对通信和计算机产生了兴趣，觉得这些东西都无比神奇。朱键的父亲为他拓开了兴趣发展的最大空间，也成为他最终进入通信和电子领域的启蒙老师。高考结束后，朱键毅然报考了电子科技大学，并选择进入这所学校无线通信专业，自此去追寻和实现他小小脑袋里的大大好奇。

电子科技大学的通信专业是全国的王牌专业，其教学内容涉及通信相关的各种数学理论及工程技术。朱键形容自己刚进入大学学习后的感悟，“那时才知道原来数学对于研究通信是多么重要，发现以前对通信很多理解其实都只是表象，数学才是本质”。有了这层认知之后，他开始格外地在数学理论最根本的研究上下功夫，并注重将其和工程技术结合起来，因而才有了后来信息熵有序分布的路由决策编码在代数交换芯片实现中的突破。

朱键曾于香港中文大学攻读博士学位，师承李硕彦教授。有一天，他兴冲冲地跑到李教授的办公室。原来，当时的他正在苦思冥想如何解决数据交换过程中路由决策优化的问题，突然想到了用熵有序分布的思路来解决这个难题，于是特地找到导师探讨和寻求他的建议。因为这个思路与传统解决方法格格不入，李硕彦教授从常规的数学角度出发，并没有第一时间对这一想法予以肯定。但这并没有动摇朱键的想法，他执着地认为自己的思路是可以实现的，回去后对其进行了更加详细的独立思考、数学推导和反复论证。经过一番更为充足的演算推理和验证后，朱键第二次来到了李教授的办公室。这一次，不等朱键说完，李教授就惊叹道：“Wow! That’s totally awesome!（哇！太棒了！）”直言朱键的这一想法是代数交换可工程实现的奠基性发现，成功清除掉代数交换从抽象理论到硬核技术之间的障碍，同时解决了硬件排序计算的科学难题。在这一发明基础上，朱键开发出世界上第一片代数交换芯片和第一套原型系统。

为了让数学算法在工程技术研究中发挥更大的作用，朱键同李硕彦教授一起通过进一步深入研究，将熵有序分布的思路上升为分配格（Distributive Lattice）理论。“相当于将Cut-through用更抽象的数学理论规范出来，从而更清楚它的内在机理和作用范畴，以便更加准确地将其应用和拓展到其他技术研究中。”朱键解释道。将分配格理论与Cut-through创新发现相结合，更加宽泛地填充了抽象代数交换理论与现代工程技术之间的鸿沟，为了使代数交换技术能够更加切实地投入各种应用场景中，朱键正聚焦新的可以突破计算机算力和数据交换能力的芯片技术。

Cut-through大数据排序的关键点是什么？朱键的回答是“快”。在当下互联网数据奔涌的大时代里，产生了越来越多对数据有极大需求的交叉学科，它们需要对大量的数据进行分析对比，从而得出某种结论，这种对数据的需求在高性能计算、人工智能及生物信息技术等领域表现得尤为明显。但排序数据规模的陡增，必然会加剧计算负荷，在算力消耗加大的同时，还很难达到人们所需的运算速度。“如果将Cut-through运用到计算机数据排序中去会有什么效果呢？”在对C u tthrough有了充分的认识后，朱键着手利用这一理论来解决计算机的排序运算问题。“数学为什么抽象？同样的理论可以通过适当的变换来解决不同的技术问题，这就是它的神奇之处。而我们就是行走在数学科技和工程技术之间那群筚路蓝缕以启山林的筑路人，在两者之间搭建桥梁。”朱键总结道。朱键对于数学理论和工程的着迷，引领着他一步步向前探索。

坚持推动成果转化落地

随着对数学理论认识的升级，朱键也逐渐实现了他在技术研究和工程实施上的突破和进阶，其中最显著的体现就是他投入更多的精力在科研成果的商业落地转化上。在利用分配格解决计算机排序运算的问题时，他考虑在发明出新的运算技术的基础上研发排序处理器。不同于纯粹的理论或技术研究，从研发到科研成果转化落地是一个漫长且艰难的过程，中间需要考虑产品的性能保障、开发的性价比、工艺、可行性、适用性等一系列的现实因素。在以前，朱键会抵触这种有过多外部因素干扰的工作内容，然而现在他却能够做得顺心顺手。他说：“我所做的科学研究终归是要为社会的发展服务的，既然将成果转化落地能够促进这一目标的实现，为什么不对自己做些改变呢？”

朱键访问美国伯克利（Berkeley）大学

聊起关键技术产业化，就离不开朱键的另外一个身份——深圳花儿数据技术有限公司联合创始人。在互联网的信息潮流中，人们拥有越来越多的途径以获取大量的信息，同时对信息的存储需求也越来越大。因此，如何让数据存储更高效、更安全、更可靠成为业界关注的问题。网络编码作为网络信息领域的重大突破，可以为数据存储技术注入优势。

花儿数据拥有朱键等一批网络编码研究领域的佼佼者，通过与网络编码创始团队——香港中文大学网络编码研究所的全面合作，率先掌握了网络编码分布式存储的核心技术，成功研发出世界上首例商用网络编码分布式存储系统。尽管现在市面上并不乏从事数据存储的公司，但朱键觉得，花儿数据可以成为一家不一样的企业，这份底气来自他及团队对网络编码分布式存储技术的深刻认识，也是因为花儿数据有别人没有和别人想有的硬核技术。

凭借领先于行业水平的先进技术，花儿数据可使用户体验到具备国际先进水平的高存储效率、高带宽效能及高修复速率，同时为用户提供软件定义架构的文件存储、对象存储、块存储等数据存储技术、产品及服务，并且将其广泛运用于云存储、高性能运算、数据灾备、数据中心、智慧城市、大数据、人工智能等领域的同时，做到引领存储技术和产业新发展。“花儿数据存储技术，就是网络编码硬核技术的产物。”朱键总结道。对于花儿数据自主研发的网络编码分布式存储硬核技术和系统软件产品的未来发展，以及花儿数据在存储领域扮演的先进技术引领者角色，他充满了信心。

兴趣延伸出的无限可能

朱键与父母合影

在外界看来，朱键的研发成果始终保持着原创和硬核的特点，而对于朱键来说，这种研究追求中夹杂着自己对科研的兴趣和想不断挑战更高难题的冲劲。他将这种内心的驱动力和追求归功于从小父亲对自己的指引和母亲的鞭策，并给了自己足够的思想空间。他对创新和对一切新奇事物的好奇，也让团队成员感受到他与传统印象中严肃的科研工作者形象有很大的不同之处。朱键对大自然和对生活的热情如同他对科研工作的孜孜追求一样，都是那么深切和着迷。点开他的微信朋友圈，扑面而来的竟是一派田园牧歌的艺术景象，其中有不少他遍访山川河流的神奇美景，有日光雨露细微变换中的草木花果，有身临山水人文中的深切感悟，一字一图，满是他对自然的热爱、对世事的体察、对艺术敏感的觉知、对世间忧患的共情。对于朱键来说，这是自己另一个以兴趣为支点的小世界。在这个世界里，他可以如古今文人墨客般寄情山水，享受田园乐趣，感怀历史变迁。他很少和相熟的人谈论科研的艰辛，更愿展示对工作和生活的美好感受。于他而言，无论是科研还是出游，都是自己兴趣的延伸，正是因为兴趣，才让他拥有无限的想象力和创造更多先进成果的可能。

记忆里，父亲一直希望他为电力智能化做些什么。强电和弱电向来是划分比较明显的两个研究领域，能够同时兼具两方面研究能力的人才并不多。朱键为了完成父亲愿望，专门抽出假期时间成功研制出了一款对标之前依赖进口的多功能电度表，得到了当时电力部专家的很大肯定。事后朱键的父亲对他说：“有技术转化能力，就要发挥特长，多为社会作奉献。”

如今，当朱键再次回忆起这件往事，他认为自己是在默默地践行父亲的期许，而今后，他也会继续在兴趣的道路上努力研发出更多原创且硬核的技术成果，在推动社会发展的浪潮向前奔涌的过程中，发挥自己的光和热。对新技术的探索，让朱键的脚步始终快速地走在科研技术的前沿，而放慢心绪聆听山水之音、倾听他人的思想，则带给了他更多的思考，让他愿意站在多维度和多角度去想问题，能够将“多家之言”内化于心，在心底慢慢地孕育出更多的新火苗。也许在某一时某一刻，这个火苗就被点燃，在对一个技术难题的思索上，迸发出强大的生命力。