通明盤算：創(chuàng)作發(fā)明下一個“云”時期

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透明計算：創(chuàng)作發(fā)明下一個“云”時代

——解讀2014年度國家天然科學(xué)獎一等獎

起源：中國科學(xué)報 2015-1-13 成舸

　　一個由中國科學(xué)家提出、界說、設(shè)計并實現(xiàn)的計算機領(lǐng)域的原創(chuàng)成果斬獲了我國基礎(chǔ)研究“桂冠”——2014年度國家自然科學(xué)獎一等獎。這就是被國外同業(yè)稱為“先于云計算、包括云計算”的網(wǎng)絡(luò)計算理論及模式——“透明計算”。清華大學(xué)教學(xué)、中南大黌舍長、中國工程院院士張堯?qū)W和他的兩個研究團隊經(jīng)過潛心研究，20年磨一劍，把理論立異與一般用戶的需要相聯(lián)合，發(fā)明了首個由中國推進(jìn)的計算技術(shù)。

別了，馮•諾依曼

　　半個多世紀(jì)以來，馮•諾依曼的名字被IT人奉為圭臬。這位美國科學(xué)家以經(jīng)典的單機存儲式體系結(jié)構(gòu)，奠定了古代計算機的基礎(chǔ)，恒久盤踞計算機主流。但是，跟著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時代的降臨，馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的范圍性日趨凸顯，產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)安全性低、用戶使用復(fù)雜、產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)苤朴谌说纫幌盗袉栴}。

　　“現(xiàn)在的計算機體系結(jié)構(gòu)是單機的，在單機上發(fā)展越多，操作系統(tǒng)就會愈來愈宏大和龐雜，不行防止地會呈現(xiàn)良多漏洞。”據(jù)張堯?qū)W介紹。進(jìn)入上世紀(jì)70年月當(dāng)前，隨同著局域網(wǎng)的發(fā)展，計算機已逐漸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)計算階段，但計算機之間的互聯(lián)主如果靠協(xié)議，理論基礎(chǔ)并沒有大突破。

　　若何打破馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的約束，領(lǐng)有安全、高效的“中國”標(biāo)簽的自立常識產(chǎn)權(quán)成果？這個問題不僅關(guān)聯(lián)到計算機技術(shù)的將來，同樣成為關(guān)系國家和社會開展的嚴(yán)重課題。

　　被張堯?qū)W稱為“福氣”的透明計算原創(chuàng)成果，因?qū)︸T•諾依曼結(jié)構(gòu)作出的反動性改進(jìn)備受國表里關(guān)注。實踐上，相關(guān)工作始于1991年。這一年，在清華大學(xué)任教的張堯?qū)W開始努力于計算機體系結(jié)構(gòu)與計算模式的創(chuàng)新。7年后，他請求的國家“863”項目失掉成功，并開收回國內(nèi)首臺網(wǎng)絡(luò)計算機（NPC）。

　　彼時，互聯(lián)網(wǎng)才剛普及，中國接入互聯(lián)網(wǎng)尚不到5年，IT界還廣泛處于操作系統(tǒng)為王的“微軟時代”，靈敏的張堯?qū)W已意想到網(wǎng)絡(luò)對計算機自身帶來的深入影響。在把運用軟件放到服務(wù)器上以后，他又開始測驗考試把操作系統(tǒng)從底本已非常精簡的終端上拿失落，提出了沒有操作系統(tǒng)的計算模式。

　　按馮•諾依曼的經(jīng)典設(shè)計，數(shù)據(jù)和順序都不加差別地寄存在統(tǒng)一臺計算機的存儲器中，被CPU挪用履行，構(gòu)成芯片層、接口層、操作系統(tǒng)、軟件利用和網(wǎng)絡(luò)層的嚴(yán)厲品級結(jié)構(gòu)。不操作系統(tǒng)的計算機不可思議，不只計算機的處置形式是串行的，而且網(wǎng)絡(luò)也像“云端”一樣裸露在外層。

　　2004年，張堯?qū)W正式提出“透明計算”的思惟。其中心是將數(shù)據(jù)存儲、計算與治理相分別，并建立了跨終端、跨平臺的“雙跨”準(zhǔn)則和“按需服務(wù)”的理念。這一體系確實破比國外 “云計算”觀點的提出早了整整3年。

　　針對開放與平安這一對看似“悖論”的抵觸，張堯?qū)W團隊提出了一個勇敢的改進(jìn)：將網(wǎng)絡(luò)互連平臺由較高的網(wǎng)絡(luò)層降落到芯片和操作系統(tǒng)之間的接口層。這一轉(zhuǎn)變不只完全翻開了被外洋廠商把持的芯片與操作系統(tǒng)間的“黑匣子”，因為在接口層設(shè)計了維護法式，也使下層軟件系統(tǒng)受攻打和保險破綻要挾的危險大大降低。

　　學(xué)術(shù)界以為，這種從計算機系統(tǒng)底層追求安全掩護的方式翻新地改變了計算機領(lǐng)域近70年的固有思惟和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)形式，理論上可防備一切病毒對計算機系統(tǒng)的襲擊，使用戶釋懷使用各種網(wǎng)絡(luò)效勞，周全晉升計算機安全級別。

　　再進(jìn)一步，研究團隊將計算機總線擴展為網(wǎng)線，將單機串行處理擴大到多機并行處理，完成了對馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的“時空擴展”。至此，一個順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時期的新體系結(jié)構(gòu)初具雛形。

　　中國粹者的工作引起了主流計算機科學(xué)界的密切關(guān)注，國際上目前已有30多所大學(xué)和科研機構(gòu)對該領(lǐng)域開展跟蹤研究。美國計算機學(xué)會會士（ACM Fellow）Marshall C.Yovits將透明計算稱為“張氏協(xié)定綜正當(dāng)”；而另外一位ACM Fellow，平等網(wǎng)絡(luò)開創(chuàng)人之1、美國卡耐基梅隆大學(xué)計算機系傳授張輝更是大膽猜測：透明計算將取代已節(jié)制計算機系統(tǒng)思維和實踐至多60年之久的傳統(tǒng)馮•諾依曼結(jié)構(gòu)。

中國“超等操作系統(tǒng)”

　　把操作系統(tǒng)從終端上拿掉后，用戶怎樣操作和使用計算機呢？張堯?qū)W定義和提出了一個名為Meta OS的“超級操作系統(tǒng)”。簡言之，就是“管理操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)”。

　　早在上世紀(jì)90年代初，張堯?qū)W就留神到，為了趕潮水或升級換代，人們每一年城市投入很大一筆錢調(diào)換終端和升級應(yīng)用。“如果說我們有臺機械不必升級，能直接將新的應(yīng)用從PC端獲得的話，不就沒需要花這筆用度了？”他如許自問。

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和移動終端遍及后，新的成績又來了。“比方蘋果手機，它就是一個封鎖系統(tǒng)。假如你要使用中國移動平臺上的軟件，當(dāng)初確定沒法用。而我們結(jié)果的意思就在于可能攻破兩個系統(tǒng)的制約，完成二者所開辟軟件的自在使用。” 在張堯?qū)W看來，不克不及領(lǐng)導(dǎo)實際的理論必定是空泛的�，F(xiàn)實上，目擊軟硬件彼此綁縛、重大依附致使的關(guān)閉化景象對用戶和工業(yè)釀成的損害，恰是他從事網(wǎng)絡(luò)計算研究并終極提出透明計算理論的原能源。

　　從2009年開端，張堯?qū)W團隊將通明計算拓展至挪動互聯(lián)網(wǎng)。到2010年，他們終究做出了一個模子。2012年10月出書的《國際云計算雜志》以長達(dá)百余頁的專輯情勢先容了這種新型收集計算操作系統(tǒng)，在國際業(yè)界引發(fā)震撼。

　　在中南大學(xué)計算機系的透明計算實驗室里，記者見到了這臺被研究人員喚作“小寶”的透明計算終端。它看上去就是一臺表現(xiàn)器，比一體機還要小，其容量近乎裸機。

　　工作職員向記者現(xiàn)場演示了大型軟件AutoCAD的使用過程。本來，所稀有據(jù)和順序的存儲都不在終端上，而是存儲于服務(wù)器上，計算機上只要一個個虛構(gòu)圖標(biāo)。使用時，只要進(jìn)入Meta OS，即可根據(jù)需求抉擇調(diào)用Windows、Linux、IOS等不同操作系統(tǒng)，不僅啟動速率和日常平凡沒什么兩樣，還可與旁邊手持平板電腦和智妙手機等移動終端的用戶實現(xiàn)同步編纂。

　　令記者不解的是，人們早已習(xí)氣的下載裝置進(jìn)程仿佛在“人不知鬼不覺”中消散了。據(jù)介紹，只有網(wǎng)絡(luò)畸形，活著界上任何一個地址登岸，都可以感觸到一樣的上述用戶休會，而且不用擔(dān)憂大批的流量應(yīng)用，來自后盾的經(jīng)心計劃展示了體制構(gòu)造實踐改良后的強盛威力和誘人魅力。

　　張堯?qū)W告知記者，Meta OS位于傳統(tǒng)操縱系統(tǒng)跟底層硬件芯片之間，相稱于傳統(tǒng)桌面盤算機的BIOS層。不但終端內(nèi)存占用量大大削減，并且可到達(dá)多檔次緩存后果，讓用戶能夠依據(jù)須要經(jīng)由過程近乎裸機的小終端獲得分歧操作體系平臺的各類辦事，從而大年夜下降了對用戶終真?zhèn)�要乞降平臺的限度。

　　透明計算模式采取的計算辦法又被抽象稱為“流式計算”，使效勞像水、電一樣供用戶使用。這正是谷歌等互聯(lián)網(wǎng)巨子刻畫的“云計算”藍(lán)圖，它已被中國科學(xué)家率先提出和實現(xiàn)并勝利走出試驗室，應(yīng)用于我國教導(dǎo)、通訊、醫(yī)療、冶金等行業(yè)，惹起了中國移動、阿里巴巴、騰訊、華為、遐想等企業(yè)親密存眷。

超出“替代策略”

　　源自中國的網(wǎng)絡(luò)計算原創(chuàng)成果惹起了國際IT巨頭英特爾公司的高度器重。從2007年起，英特爾就建立了專門研究步隊持續(xù)跟蹤研究并鼎力推行。在2012年的英特爾全球信息技術(shù)峰會上，現(xiàn)任總裁詹睿妮用了一個小時向預(yù)會者介紹張堯?qū)W和透明計算，并預(yù)言稱“此后的十年將是透明計算的十年”。如斯高調(diào)地推舉一項非英特爾原創(chuàng)的技術(shù)，不僅在英特爾汗青上史無前例，就是在寰球信息技術(shù)領(lǐng)域也極其常見。

　　只管如此，對海內(nèi)內(nèi)在信息技術(shù)領(lǐng)域的差距，張堯?qū)W仍有蘇醒的意識。“國內(nèi)目前所使用的CPU基礎(chǔ)上都不是國內(nèi)自己做的，而是國外做出來的，以是今朝我們使用的電腦究竟安不安全，我們自己是不曉得的。”他表現(xiàn)，目前他們的研究已控制了國外CPU的結(jié)構(gòu)指令，“固然我們還不是很明白門內(nèi)是什么，但最少曾經(jīng)扼守住了門口。”

　　在張堯?qū)W看來，透明計算在理論和應(yīng)用上的沖破對產(chǎn)業(yè)的意義重要在于：改變了我國操作系統(tǒng)開展一向采用的“替代策略”，可處理國家網(wǎng)絡(luò)安全和操作系統(tǒng)技術(shù)持久受制于人的嚴(yán)重問題，并存在可造成新的IT產(chǎn)業(yè)鏈、拉動其余產(chǎn)業(yè)進(jìn)級換代的遠(yuǎn)景與才能。

　　談到我國IT技巧的成長，張堯?qū)W深有感想。“之前，另外公司做了CPU，咱們就想做個CPU來代替此外公司；人家有個Windows操作系統(tǒng)，我們就想做個操作系統(tǒng)來取代它。”在他看來，這類替換戰(zhàn)略在IT范疇實際上是一個十分艱難的戰(zhàn)略，“由于其它已有公司在用戶系統(tǒng)、資金與市場上都已無比成熟，你不成能容易撼動。”他本人給出的謎底是：共存。

　　“透明計算是對以往存儲計算的一個擴展，并不是完整取代。”張堯?qū)W說，它“不損壞、不否決、不毀滅”原來的體系結(jié)構(gòu)，但會派生出許多新的終端來，從而改變貿(mào)易模式和軟件的使用模式。

　　回想團隊的研究過程，張堯?qū)W坦言，開初他們只是專一于問題本身，不想一味模擬和替代，并沒有想到必定要做出甚么驚動天下的貨色,清華財務(wù)管理。“從處理現(xiàn)實成績動身，發(fā)生了一些明白的念頭和原創(chuàng)的設(shè)法。”隨后，他們帶著這個動機和主意一鉆就是二十年。

　　其間，國家天然迷信基金的支持施展了主要感化。1995年、1997年、2009年，通明計算系列研討任務(wù)三次取得國度做作科學(xué)基金名目贊助。長達(dá)十余年的跟蹤支撐為相干研究任務(wù)的連續(xù)發(fā)展奠基了堅固的基本。

　　“國家自然科學(xué)基金‘未幾很多’的經(jīng)費支持，激勵摸索、寬容掉敗的資助定位，鼓勵研究人員摒棄急躁，尊敬科學(xué)，忠于幻想，潛心學(xué)識，在創(chuàng)造力最茂盛的年紀(jì)階段夯實研究基石。”張堯?qū)W說。不忘初心，方得一直，這或者就是“運氣”背地的答案。