市场有风险，谁在帮助金融机构争分夺秒 | Physics World专栏
撰文 | Jon Cartwright
翻译 | 余其身
校译 | 杨岭楠
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今天的市场交易，可以说已到了毫秒必争的地步。本文作者乔恩·卡特莱德（Jon Cartwright）向读者介绍了英国国家物理实验室毫秒级计时系统的运转机制，这一系统可为大型金融机构提供相当精准的时间服务。
2010年5月6日，当地时间下午14:30，华尔街经历了史上最凶险迅猛的一次冲击。几分钟内，道·琼斯指数（美国市场三大指数之一）暴跌了9%，与此同时，个股的股价变得极不稳定，一秒钟内，一部分股价竟在数十美元和美分之间摇摆。尽管到交易日结束时大部分股价已经恢复，但这次震荡仍造成了超过8500亿美金市值的蒸发。
到底是什么原因引发了这次家喻户晓的闪电崩盘（Flash Crash）？早期猜测认为电脑里的交易软件存在失误，或者某交易员不慎出仓了巨额股票——所谓的乌龙指操作。有的分析专家甚至认为，这次事件不过是股市起起落落的冰山一角，并不出人意料，因为金融交易已经更为分散、更为复杂。但是许多人仍然怀疑其间存在暗箱操作。
2015年4月，时年36岁的个体交易人纳威德·萨劳（Navinder Singh Sarao）在其父母位于英国伦敦西区豪恩斯洛的家中被捕。美国当局指控萨劳利用欺诈性算法，生成上千笔卖单，然后在交易完成前的最后时刻将其取消，并以更低的价格买入，以期在市场恢复正常时获利。利用对市场的操纵，萨劳五年间非法获利达4000万美金（2700万英镑）。
高速度也是高风险
今年早些时候，萨劳被美国法院指控犯有欺诈罪和电信诈骗罪，但是目前并不确定他的行为是否真正导致了那次闪崩。事实上，基于当前的金融基础设施，对一桩极端的市场事件进行准确的事后分析几乎难以实现，因为这尤其需要精确地掌握所有交易发生的时间节点。
回到那个交易员在拥挤的股票大厅里喊买喊卖的时代，记录官方的交易时间不成问题。但现在已经是一个自动化、高频率化交易的时代，订单最快可在毫秒之间得到执行。
今天，即使最具洞察力的人类交易员也存在巨大缺陷——滞后。用人类交易员观察市场变化然后决定最优对策继而执行订单所花费的时间，计算机可以处理数百万起金融交易。毫无疑问，现代金融业用算法和高频交易取代了人类操作员。
各种专业交易算法的工作原理自然是保密的，但是它们的目标类似。其一就是利用商品在不同市场中的微小差价，在低价市场买入，并立即在高价市场卖出。这种差价套利模式是市场交易与生俱来的本质，而在现代市场中，这种差价看似微小但交易量巨大。0.0001美元的差价似乎微乎其微，但如果能够在一秒钟内重复一百万次，那么，一分钟就相当于6000美元。
算法也能够预测市场，它可以预测商品最终的平均价格，长期浮动趋势，或者基于历史数据的分析预测更复杂的走势。算法甚至能够深度分析公司数据和资产的形势，估计公司的实际价值，进而确定其市值是否被高估或者低估。（一般来说，算法的设计主旨并不是要做出快速决策，而是要获得适中的收益。但是算法的引入招致了大量批评的声音。其中一种声音聚焦于昂贵的基础设施，因为这意味着只有具备经济实力的大型投资公司才能得到回报，而小型公司和个体交易者则无力承担相关费用，即使他们本身判断能力更强，也是无济于事。然而更令人担心的是，交易处理过程如此迅速，人类根本就不可能监管每一笔交易，也就不可能保证每笔交易都很稳妥。所以当算法错误时，形势会飞速恶化。）人类观察员很难跟得上算法的步伐。在华尔街崩盘发生五个月后，美国劳伦斯·伯克利国家实验室创新金融技术中心主任大卫·莱因韦伯（David Leinweber）在回应美国监管机构的报告中写道，监管机构还在利用完全不匹配的资源，来分析现代交易情况，简直就是上个世纪的老古董。
这里涉及到一个关键的问题，即时间如何同步以及它的根据。在金融机构中，每项交易都有时间戳，会具体到它发生的某一毫秒；但问题是，金融机构或者监管机构怎么才能知道发生交易的那一毫秒与当下其它人的一毫秒是相同的一毫秒？随着原子钟越来越普遍化，每个月的时间误差已经可以控制在一纳秒精度内，在这种背景下，金融市场上毫秒量级的时间精度只不过是小孩子们的游戏罢了。但即便最精确的原子钟也需要设定正确的初始时间，然后才把设定好的时间传送给使用者。而这种时间信号的传递本身也需要时间，关键问题是需要花费多少时间。
里昂·罗伯（Leon Lobo）对这个问题显然是有备而来。自2011年，他在英国国家物理实验室（NPL）工作，实验室早在1955年就研发了铯原子钟。经验证，这是第一台比地球围绕太阳的公转周期还更精确的时钟。原子钟的“嘀嗒”是一个原子中的两个特定能级之间的电子的振荡，利用一个反馈回路把一个光源的频率锁定到这些电子振荡频率上，这样就建立了一个稳定的频率标准。
时间记录者
英国国家物理实验室位于伦敦郊区泰丁顿，利用光纤网、互联网、射频网和卫星网来传输信号，它负责为英国所有地区提供授时服务。当前，罗伯是实验室的战略商业发展经理。实验室应用了时间同步化精密技术来为金融交易护法。“你也可以拥有自己的原子钟，但一个原子钟本质上是一个稳定的振荡器——即一个规则的嘀嗒器，”罗伯说，“它没必要给你提供正确的时间。而这也正是我们专家见真功的地方。”（原子钟的功能只是提供稳定的时间，而该时间正确与否，就取决于设定的初始时间是否正确。）
里昂·罗伯（Leon Lobo）希望为金融机构通过精确到微秒的时间同步硬件。图源：NPL
时钟的同步化涉及到如何抵消时间延迟的问题，但这并不仅仅是用通信线路的长度去除以通信信号的速度那样简单。从时间启动的源头而言，由于每个人与授时中枢之间的通信线路都存在着不同数量的转换节点和不相等的距离，这些通信线路元件都是时间延迟的影响因素，因此这些通信线路并不可靠。许多大型金融机构都依靠卫星导航系统，例如美国的全球定位系统（GPS）或者俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS），来与世界标准时间（UTC）进行同步化。但是由于太阳活动或者其它电磁干扰，全球定位系统和格洛纳斯系统都无法避免出错。根据英国授时公司克洛诺斯（Chronos）2016年1月的报告，全球定位系统信号在12小时中偏离了13毫秒，由于地面基站发送错误初始时间产生的误导，继而在全世界范围的公司和机构中引发了系统误差。
互联网是传送计时信息的另一种选择，但是互联网中的通信线路长度并不都是相同的。比方说，信号可以在一天之间从发射源直接发送到接收机；而到另一天，同样的信号却可能在世界的另一端通过服务器间接地传送到同一个接收机。即使这个信号到达了金融机构，也需要沿着遍布于整个机构大楼的不同线路才能最终到达各个交易员所用的终端计算机。而据传交易员们都想离主机越近越好，以保证将劣势控制到最小。
计算机内部同样不可靠。计算机每处理一个信号，都存在一定的或连续或不连续的延迟。大多数计算机都通过自身的时钟频率来计时，比如一个20亿赫兹的处理器，通常每秒钟执行20亿个指令。然而现代的软件却难以预测，像用Java编程语言所写的程序具有“垃圾回收”功能，会周期性地回收内存，这个操作会中断计算机进程的时间戳进度。另外，罗伯还指出，如果用户还在运行较早版本的微软视窗系统（Microsoft Windows），那么计算机会比世界标准时间或快或慢上整秒。
罗伯说，“偶尔也会碰到负差的情况，比如对比一些数据发出的时间戳和它们到达的时间戳，假如同步化较差，到达时间可能还会早于发出时间”。“可以这么说，就毫秒水平而言，在伦敦市没人能有相同的时间。”
所有这些问题都使过往事件的取证相当棘手。跨国投资银行瑞士信贷银行（Credit Suisse）的技术架构师内尔·霍洛克（Neil Horlock）认为，交易时间的不确定性是个大问题。他举了一个例子，一位大投资人指示经纪人出仓石油股票，但并没有旁的特殊原因，仅仅出于对刚发现的环境污染因素的考虑。就在经纪人马上要执行订单之前，另一个经纪人也卖掉了同一家石油公司的股票，这两笔卖出压低了石油公司的市值。但是，第二个经纪人抢先于曲线走势之前立刻重新买入了股票，因此而获利。他的出手时机或许有运气的成分。但另一方面，他也可能有内幕消息，预先得知大投资人即将出仓，这实际上是抢先交易，是非法操作。
暗箱操作
上面只是一个简单的例子，而现代金融中的暗箱操作远为复杂。霍洛克解释说，在任何情况下，区别有罪与否都需为具体事件重建一个精确的时序表，并且是以毫秒为间隔的时序表。他说，“更精确的时钟同步意味着调查人员可以查询到所有的记录，这样便可寻求证据证明交易是完全光明正大的。如果这些交易互不关联，调查人员通常可以通过时间戳清晰地识别出来。”
今年，欧盟引入了第二版金融工具市场法规（MiFID II），给市场增加保护措施。第二版法规对时钟同步性的精密度提出了严格要求，在某些情况下可精确至100毫秒。而英国国家物理实验室的罗伯则提出了解决方案，可帮助大型金融机构达到要求，甚至还超越了100毫秒的水平。
NPL的科学家正在研究铯原子喷泉频率标准，这可以实现秒的国际单位制。图片来源：NPL
解决方案中最关键的问题是严密性。英国国家物理实验室为不同的企业伙伴提供服务。它的光纤是专用的，光纤的长度和弹性要经过测量和验证，还要使用与特定服务供应商共用的通道来发送计时信息。整条线路所选的每个硬件其性能都是确定的，这样一来，工程师们可以对最终的延迟进行高精度的计算。从客户端出发，利用硬件基础，通过英国国家物理实验室认证的时间协议系统，最终规避了计时软件的弊端。罗伯说，“我们实现了端到端的时间管理。”
英国国家物理实验室每分钟都会向计时系统发送“ping”，以确保计时系统的时间与世界标准时间的记录保持同步。计时协议可以解释“ping”的发出时间和接收时间，而针对那些未知的潜在的延迟，英国国家物理实验室则在光纤的末端放置铯原子钟，根据世界标准时间来校准所接收到的实际信号。无论何时，英国国家物理实验室都要保证有一个原子钟位于远离泰丁顿的中枢，确保计时系统即使在光纤损坏的情况下也保持精确运行。
精确性和可追踪性
事实上，时间的同步关系到两个特性。一个是精确性，即硬件运转应尽可能迅速，性能尽可能确定。另一个是可追踪性。换句话说，罗伯和他的同事是可以对计时信号的行进路径以及路径每一阶段的精确度打保票的。罗伯说，“最重要的就是基础设施的可信度。”
目前，英国国家物理实验室与世界标准时间的同步已经可以精确到一毫秒，这比第二版金融工具市场法规的规定还要先进两个量级。而英国国家物理实验室实际还可以更自信，因为它能更上一层楼，在精确度上再上一个量级，即100纳秒。罗伯表示他们甚至还可以做到比100纳秒更精确，但是如果没有需求也就没有这个必要了。英国国家物理实验室的系统已经应用于很多伦敦的数据中心，比如Equinix、TeleHouse和Interxion。罗伯还表示，下一步计划向国外组织提供服务。
那么，在未来几年中，英国国家物理实验室的高科技方案会成为金融业的标准吗？霍洛克并不确定。他说， “尽管时钟更精准，商业风险更小，更好控制，但是行业内的利润也越来越少，涉及到任何方案的选择，成本都是一个主要因素。只要人们觉得全球定位系统这类免费服务够好，欧洲的监管机构也极力向我们保证了这一点，那么，造价更高的方案就得采取曲线救国的方式让市场认识到它物有所值，比如它能提供更好的分析服务。”
霍洛克说，如果大型金融机构打算纳入第二版金融工具市场法规体系，它们必将面临的问题就是要控制全球定位系统带来的风险。而它的替代性方案也并不是只有英国国家物理实验室推出的服务，还有其它备选。电子罗兰系统（eLORAN）基于二战技术，类似于全球定位系统，但它并没有采用太空发射的方式，而是使用地面长波无线电发射。电子罗兰无需固定的通信频道，而且比英国国家物理实验室的计时成本更低。尽管它最终被全球定位系统取代了，而且它也不可追踪，但它的存在说明全球定位系统并不是唯一选择。霍洛克总结说，“未来人人都会找到全球定位系统的替代品，里昂的解决方案是一个高质量备选，但是价格太高。它实际上也只能用于大型金融中心，而我们中的许多人却只好望洋兴叹。”
罗伯则认为，替代性方案的价值点就体现在校准、持续监测的技术手段，以及通过这些手段能达到的精确性、稳定性、可恢复性以及可查证性。而英国国家物理实验室的解决方案关键就在于端对端的可追踪性、可查证性、可恢复性，并且能切实地为客户的基础设施提供精确的时间，也可以保证客户在接入口就能以稳定、准确的参照物来校准内部系统。
改进时间标准的呼声历来已有之。Physics World 出版地英国布里斯托的谷物交易所过去就做了两手准备，它的时钟分针有两个：一个是“布里斯托时间”，另一个是“伦敦时间”，在十九世纪早期，前者比后者还晚了10分钟。布里斯托直到1852年才勉强接受了格林威治标准时间（GMT），随后五年里，英国的其余地方也都统一使用了格林威治时间。
格林威治时间一下子让人们的生活轻松了很多，因为人们以前甚至在不同的城市坐火车时，还要在出发和抵达时间之中来回切换。因此，罗伯也对未来充满了信心，他认为自己的计时系统对于现代金融的意义正像格林威治时间对于世界的意义一样，但他们已然做到了毫秒的水平。
▲本文为Physics World专栏的第19篇。
第一篇：中国的挑战和变化
第四篇：中国冲刺月球计划
第五篇：随机行走人生路，量子计算是归途
第六篇：什么情况下冷水比热水升温快
第七篇：文科教育为什么不能偏废？
第八篇：如何写一份面向工业界的简历
第十篇：动物集体行为背后，到底是何机制？
第十一篇：世界首次人机合一的奥运会：比赛爬楼梯、晾衣服背后的黑科技
第十二篇：植“根”于物理
第十四篇：专访王贻芳：建造下一代对撞机
第十五篇：物理学家30年前遭遇的问题，至今没有改善
第十六篇：海蒂·拉玛的双面人生：电影演员与发明家
第十七篇：物理单位的哲学新思考
第十八篇：粒子物理学的成就与挫败
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原文标题“Time Traders”，首发于2018年7月出版的Physics World，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。
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制版编辑 | 皮皮鱼
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