撰文 | Jon Cartwright
翻譯 | 余其身
校譯 | 楊嶺楠
今天的市場交易，可以說已到了毫秒必爭的地步。本文作者喬恩·卡特萊德（Jon Cartwright）向讀者介紹了英國國家物理實驗室毫秒級計時系統的運轉機制，這一系統可為大型金融機構提供相當精準的時間服務。
2010年5月6日，當地時間下午14:30，華爾街經歷了史上最凶險迅猛的一次衝擊。幾分鐘內，道·瓊斯指數（美國市場三大指數之一）暴跌了9%，與此同時，個股的股價變得極不穩定，一秒鐘內，一部分股價竟在數十美元和美分之間搖擺。儘管到交易日結束時大部分股價已經恢復，但這次震蕩仍造成了超過8500億美金市值的蒸發。
到底是什麽原因引發了這次家喻戶曉的閃電崩盤（Flash Crash）？早期猜測認為電腦裡的交易軟體存在失誤，或者某交易員不慎出倉了巨額股票——所謂的烏龍指操作。有的分析專家甚至認為，這次事件不過是股市起起落落的冰山一角，並不出人意料，因為金融交易已經更為分散、更為複雜。但是許多人仍然懷疑其間存在暗箱操作。
2015年4月，時年36歲的個體交易人納威德·薩勞（Navinder Singh Sarao）在其父母位於英國倫敦西區豪恩斯洛的家中被捕。美國當局指控薩勞利用欺詐性算法，生成上千筆賣單，然後在交易完成前的最後時刻將其取消，並以更低的價格買入，以期在市場恢復正常時獲利。利用對市場的操縱，薩勞五年間非法獲利達4000萬美金（2700萬英鎊）。
高速度也是高風險
今年早些時候，薩勞被美國法院指控犯有欺詐罪和電信詐騙罪，但是目前並不確定他的行為是否真正導致了那次閃崩。事實上，基於當前的金融基礎設施，對一樁極端的市場事件進行準確的事後分析幾乎難以實現，因為這尤其需要精確地掌握所有交易發生的時間節點。
回到那個交易員在擁擠的股票大廳裡喊買喊賣的時代，記錄官方的交易時間不成問題。但現在已經是一個自動化、高頻率化交易的時代，訂單最快可在毫秒之間得到執行。
今天，即使最具洞察力的人類交易員也存在巨大缺陷——滯後。用人類交易員觀察市場變化然後決定最優對策繼而執行訂單所花費的時間，電腦可以處理數百萬起金融交易。毫無疑問，現代金融業用算法和高頻交易取代了人類操作員。
各種專業交易算法的工作原理自然是保密的，但是它們的目標類似。其一就是利用商品在不同市場中的微小差價，在低價市場買入，並立即在高價市場賣出。這種差價套利模式是市場交易與生俱來的本質，而在現代市場中，這種差價看似微小但交易量巨大。0.0001美元的差價似乎微乎其微，但如果能夠在一秒鐘內重複一百萬次，那麽，一分鐘就相當於6000美元。
算法也能夠預測市場，它可以預測商品最終的平均價格，長期浮動趨勢，或者基於歷史數據的分析預測更複雜的走勢。算法甚至能夠深度分析公司數據和資產的形勢，估計公司的實際價值，進而確定其市值是否被高估或者低估。（一般來說，算法的設計主旨並不是要做出快速決策，而是要獲得適中的收益。但是算法的引入招致了大量批評的聲音。其中一種聲音聚焦於昂貴的基礎設施，因為這意味著只有具備經濟實力的大型投資公司才能得到回報，而小型公司和個體交易者則無力承擔相關費用，即使他們本身判斷能力更強，也是無濟於事。然而更令人擔心的是，交易處理過程如此迅速，人類根本就不可能監管每一筆交易，也就不可能保證每筆交易都很穩妥。所以當算法錯誤時，形勢會飛速惡化。）人類觀察員很難跟得上算法的步伐。在華爾街崩盤發生五個月後，美國勞倫斯·伯克利國家實驗室創新金融技術中心主任大衛·萊因韋伯（David Leinweber）在回應美國監管機構的報告中寫道，監管機構還在利用完全不匹配的資源，來分析現代交易情況，簡直就是上個世紀的老古董。
這裡涉及到一個關鍵的問題，即時間如何同步以及它的根據。在金融機構中，每項交易都有時間戳，會具體到它發生的某一毫秒；但問題是，金融機構或者監管機構怎麽才能知道發生交易的那一毫秒與當下其它人的一毫秒是相同的一毫秒？隨著原子鍾越來越普遍化，每個月的時間誤差已經可以控制在一納秒精度內，在這種背景下，金融市場上毫秒量級的時間精度只不過是小孩子們的遊戲罷了。但即便最精確的原子鍾也需要設定正確的初始時間，然後才把設定好的時間傳送給使用者。而這種時間信號的傳遞本身也需要時間，關鍵問題是需要花費多少時間。
裡昂·羅伯（Leon Lobo）對這個問題顯然是有備而來。自2011年，他在英國國家物理實驗室（NPL）工作，實驗室早在1955年就研發了銫原子鍾。經驗證，這是第一台比地球圍繞太陽的公轉周期還更精確的時鐘。原子鍾的“嘀嗒”是一個原子中的兩個特定能級之間的電子的振蕩，利用一個反饋回路把一個光源的頻率鎖定到這些電子振蕩頻率上，這樣就建立了一個穩定的頻率標準。
時間記錄者
英國國家物理實驗室位於倫敦郊區泰丁頓，利用光纖網、互聯網、射頻網和衛星網來傳輸信號，它負責為英國所有地區提供授時服務。當前，羅伯是實驗室的戰略商業發展經理。實驗室應用了時間同步化精密技術來為金融交易護法。“你也可以擁有自己的原子鍾，但一個原子鍾本質上是一個穩定的振蕩器——即一個規則的嘀嗒器，”羅伯說，“它沒必要給你提供正確的時間。而這也正是我們專家見真功的地方。”（原子鍾的功能只是提供穩定的時間，而該時間正確與否，就取決於設定的初始時間是否正確。）
裡昂·羅伯（Leon Lobo）希望為金融機構通過精確到微秒的時間同步硬體。圖源：NPL
時鐘的同步化涉及到如何抵消時間延遲的問題，但這並不僅僅是用通信線路的長度去除以通信信號的速度那樣簡單。從時間啟動的源頭而言，由於每個人與授時中樞之間的通信線路都存在著不同數量的轉換節點和不相等的距離，這些通信線路元件都是時間延遲的影響因素，因此這些通信線路並不可靠。許多大型金融機構都依靠衛星導航系統，例如美國的全球定位系統（GPS）或者俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS），來與世界標準時間（UTC）進行同步化。但是由於太陽活動或者其它電磁干擾，全球定位系統和格洛納斯系統都無法避免出錯。根據英國授時公司克洛諾斯（Chronos）2016年1月的報告，全球定位系統信號在12小時中偏離了13毫秒，由於地面基地台發送錯誤初始時間產生的誤導，繼而在全世界範圍的公司和機構中引發了系統誤差。
互聯網是傳送計時資訊的另一種選擇，但是互聯網中的通信線路長度並不都是相同的。比方說，信號可以在一天之間從發射源直接發送到接收機；而到另一天，同樣的信號卻可能在世界的另一端通過伺服器間接地傳送到同一個接收機。即使這個信號到達了金融機構，也需要沿著遍布於整個機構大樓的不同線路才能最終到達各個交易員所用的終端電腦。而據傳交易員們都想離主機越近越好，以保證將劣勢控制到最小。
電腦內部同樣不可靠。電腦每處理一個信號，都存在一定的或連續或不連續的延遲。大多數電腦都通過自身的時鐘頻率來計時，比如一個20億赫茲的處理器，通常每秒鐘執行20億個指令。然而現代的軟體卻難以預測，像用Java編程語言所寫的程式具有“垃圾回收”功能，會周期性地回收記憶體，這個操作會中斷電腦進程的時間戳進度。另外，羅伯還指出，如果用戶還在運行較早版本的微軟視窗系統（Microsoft Windows），那麽電腦會比世界標準時間或快或慢上整秒。
羅伯說，“偶爾也會碰到負差的情況，比如對比一些數據發出的時間戳和它們到達的時間戳，假如同步化較差，到達時間可能還會早於發出時間”。“可以這麽說，就毫秒水準而言，在倫敦市沒人能有相同的時間。”
所有這些問題都使過往事件的取證相當棘手。跨國投資銀行瑞士信貸銀行（Credit Suisse）的技術架構師內爾·霍洛克（Neil Horlock）認為，交易時間的不確定性是個大問題。他舉了一個例子，一位大投資人指示經紀人出倉石油股票，但並沒有旁的特殊原因，僅僅出於對剛發現的環境汙染因素的考慮。就在經紀人馬上要執行訂單之前，另一個經紀人也賣掉了同一家石油公司的股票，這兩筆賣出壓低了石油公司的市值。但是，第二個經紀人搶先於曲線走勢之前立刻重新買入了股票，因此而獲利。他的出手時機或許有運氣的成分。但另一方面，他也可能有內幕消息，預先得知大投資人即將出倉，這實際上是搶先交易，是非法操作。
暗箱操作
上面只是一個簡單的例子，而現代金融中的暗箱操作遠為複雜。霍洛克解釋說，在任何情況下，區別有罪與否都需為具體事件重建一個精確的時序表，並且是以毫秒為間隔的時序表。他說，“更精確的時鐘同步意味著調查人員可以查詢到所有的記錄，這樣便可尋求證據證明交易是完全光明正大的。如果這些交易互不關聯，調查人員通常可以通過時間戳清晰地識別出來。”
今年，歐盟引入了第二版金融工具市場法規（MiFID II），給市場增加保護措施。第二版法規對時鐘同步性的精密度提出了嚴格要求，在某些情況下可精確至100毫秒。而英國國家物理實驗室的羅伯則提出了解決方案，可幫助大型金融機構達到要求，甚至還超越了100毫秒的水準。
NPL的科學家正在研究銫原子噴泉頻率標準，這可以實現秒的國際部門製。圖片來源：NPL
解決方案中最關鍵的問題是嚴密性。英國國家物理實驗室為不同的企業夥伴提供服務。它的光纖是專用的，光纖的長度和彈性要經過測量和驗證，還要使用與特定服務供應商共用的通道來發送計時資訊。整條線路所選的每個硬體其性能都是確定的，這樣一來，工程師們可以對最終的延遲進行高精度的計算。從客戶端出發，利用硬體基礎，通過英國國家物理實驗室認證的時間協定系統，最終規避了計時軟體的弊端。羅伯說，“我們實現了端到端的時間管理。”
英國國家物理實驗室每分鐘都會向計時系統發送“ping”，以確保計時系統的時間與世界標準時間的記錄保持同步。計時協定可以解釋“ping”的發出時間和接收時間，而針對那些未知的潛在的延遲，英國國家物理實驗室則在光纖的末端放置銫原子鍾，根據世界標準時間來校準所接收到的實際信號。無論何時，英國國家物理實驗室都要保證有一個原子鍾位於遠離泰丁頓的中樞，確保計時系統即使在光纖損壞的情況下也保持精確運行。
精確性和可追蹤性
事實上，時間的同步關係到兩個特性。一個是精確性，即硬體運轉應盡可能迅速，性能盡可能確定。另一個是可追蹤性。換句話說，羅伯和他的同事是可以對計時信號的行進路徑以及路徑每一階段的精確度打保票的。羅伯說，“最重要的就是基礎設施的可信度。”
目前，英國國家物理實驗室與世界標準時間的同步已經可以精確到一毫秒，這比第二版金融工具市場法規的規定還要先進兩個量級。而英國國家物理實驗室實際還可以更自信，因為它能更上一層樓，在精確度上再上一個量級，即100納秒。羅伯表示他們甚至還可以做到比100納秒更精確，但是如果沒有需求也就沒有這個必要了。英國國家物理實驗室的系統已經應用於很多倫敦的數據中心，比如Equinix、TeleHouse和Interxion。羅伯還表示，下一步計劃向國外組織提供服務。
那麽，在未來幾年中，英國國家物理實驗室的高科技方案會成為金融業的標準嗎？霍洛克並不確定。他說， “儘管時鐘更精準，商業風險更小，更好控制，但是行業內的利潤也越來越少，涉及到任何方案的選擇，成本都是一個主要因素。只要人們覺得全球定位系統這類免費服務夠好，歐洲的監管機構也極力向我們保證了這一點，那麽，造價更高的方案就得采取曲線救國的方式讓市場認識到它物有所值，比如它能提供更好的分析服務。”
霍洛克說，如果大型金融機構打算納入第二版金融工具市場法規體系，它們必將面臨的問題就是要控制全球定位系統帶來的風險。而它的替代性方案也並不是只有英國國家物理實驗室推出的服務，還有其它備選。電子羅蘭系統（eLORAN）基於二戰技術，類似於全球定位系統，但它並沒有採用太空發射的方式，而是使用地面長波無線電發射。電子羅蘭無需固定的通信頻道，而且比英國國家物理實驗室的計時成本更低。儘管它最終被全球定位系統取代了，而且它也不可追蹤，但它的存在說明全球定位系統並不是唯一選擇。霍洛克總結說，“未來人人都會找到全球定位系統的替代品，裡昂的解決方案是一個高品質備選，但是價格太高。它實際上也只能用於大型金融中心，而我們中的許多人卻只好望洋興歎。”
羅伯則認為，替代性方案的價值點就體現在校準、持續監測的技術手段，以及通過這些手段能達到的精確性、穩定性、可恢復性以及可查證性。而英國國家物理實驗室的解決方案關鍵就在於端對端的可追蹤性、可查證性、可恢復性，並且能切實地為客戶的基礎設施提供精確的時間，也可以保證客戶在接入口就能以穩定、準確的參照物來校準內部系統。
改進時間標準的呼聲歷來已有之。Physics World 出版地英國布裡斯托的穀物交易所過去就做了兩手準備，它的時鐘分針有兩個：一個是“布裡斯托時間”，另一個是“倫敦時間”，在十九世紀早期，前者比後者還晚了10分鐘。布裡斯托直到1852年才勉強接受了格林威治標準時間（GMT），隨後五年裡，英國的其余地方也都統一使用了格林威治時間。
格林威治時間一下子讓人們的生活輕鬆了很多，因為人們以前甚至在不同的城市坐火車時，還要在出發和抵達時間之中來回切換。因此，羅伯也對未來充滿了信心，他認為自己的計時系統對於現代金融的意義正像格林威治時間對於世界的意義一樣，但他們已然做到了毫秒的水準。
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