透明計算：締造下一個“云”時代
——解讀2014年度國家自然科學(xué)獎一等獎
來源：中國科學(xué)報 2015-1-13 成舸
一個由中國科學(xué)家提出、定義、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。這就是被國外同行稱為“先于云計算、包含云計算”的網(wǎng)絡(luò)計算理論及模式——“透明計算”。清華大學(xué)教授、中南大學(xué)校長、中國工程院院士張堯?qū)W和他的兩個研究團隊通過潛心研究，20年磨一劍，把理論創(chuàng)新與普通用戶的需求相結(jié)合，創(chuàng)造了首個由中國推動的計算技術(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)，奠定了現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)，長期占據(jù)計算機主流。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時代的來臨，馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的局限性日益凸顯，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)就會越來越龐大和復(fù)雜，不可避免地會出現(xiàn)很多漏洞。”據(jù)張堯?qū)W介紹。進入上世紀(jì)70年代以后，伴隨著局域網(wǎng)的發(fā)展，計算機已逐步進入網(wǎng)絡(luò)計算階段，但計算機之間的互聯(lián)主要是靠協(xié)議，理論基礎(chǔ)并沒有大突破。
如何突破馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的束縛，擁有安全、高效的“中國”標(biāo)簽的自主知識產(chǎn)權(quán)成果？這個問題不僅關(guān)系到計算機技術(shù)的未來，也成為關(guān)系國家和社會發(fā)展的重大課題。
被張堯?qū)W稱為“運氣”的透明計算原創(chuàng)成果，因?qū)︸T•諾依曼結(jié)構(gòu)作出的革命性改進備受國內(nèi)外關(guān)注。實際上，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開始致力于計算機體系結(jié)構(gòu)與計算模式的創(chuàng)新。7年后，他申請的國家“863”項目獲得成功，并開發(fā)出國內(nèi)首臺網(wǎng)絡(luò)計算機（NPC）。
彼時，互聯(lián)網(wǎng)才剛剛普及，中國接入互聯(lián)網(wǎng)尚不到5年，IT界還普遍處于操作系統(tǒng)為王的“微軟時代”，敏銳的張堯?qū)W已意識到網(wǎng)絡(luò)對計算機本身帶來的深刻影響。在把應(yīng)用軟件放到服務(wù)器上之后，他又開始嘗試把操作系統(tǒng)從原本已十分精簡的終端上拿掉，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)和程序都不加區(qū)別地存放在同一臺計算機的存儲器中，被CPU調(diào)用執(zhí)行，形成芯片層、接口層、操作系統(tǒng)、軟件應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)層的嚴(yán)格等級結(jié)構(gòu)。沒有操作系統(tǒng)的計算機難以想象，不僅計算機的處理模式是串行的，而且網(wǎng)絡(luò)也像“云端”一樣暴露在外層。
2004年，張堯?qū)W正式提出“透明計算”的思想。其核心是將數(shù)據(jù)存儲、計算與管理相分離，并確立了跨終端、跨平臺的“雙跨”原則和“按需服務(wù)”的理念。這一體系的確立比國外 “云計算”概念的提出早了整整3年。
針對開放與安全這一對看似“悖論”的矛盾，張堯?qū)W團隊提出了一個大膽的改進：將網(wǎng)絡(luò)互連平臺由較高的網(wǎng)絡(luò)層下降到芯片和操作系統(tǒng)之間的接口層。這一改變不僅徹底打開了被國外廠商控制的芯片與操作系統(tǒng)間的“黑匣子”，由于在接口層設(shè)計了保護程序，也使上層軟件系統(tǒng)受攻擊和安全漏洞威脅的風(fēng)險大大降低。
學(xué)術(shù)界認(rèn)為，這種從計算機系統(tǒng)底層尋求安全保護的方法創(chuàng)新地改變了計算機領(lǐng)域近70年的固有思維和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模式，理論上可防御所有病毒對計算機系統(tǒng)的攻擊，使用戶放心使用各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，全面提升計算機安全級別。
再進一步，研究團隊將計算機總線擴展為網(wǎng)線，將單機串行處理擴展到多機并行處理，實現(xiàn)了對馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的“時空擴展”。至此，一個適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代的新體系結(jié)構(gòu)初具雛形。
中國學(xué)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)議綜合法”；而另一位ACM Fellow，對等網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)始人之一、美國卡耐基梅隆大學(xué)計算機系教授張輝更是大膽預(yù)測：透明計算將取代已控制計算機系統(tǒng)思想和實踐至少60年之久的傳統(tǒng)馮•諾依曼結(jié)構(gòu)。
中國“超級操作系統(tǒng)”
把操作系統(tǒng)從終端上拿掉后，用戶怎么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就注意到，為了趕潮流或升級換代，人們每年都會投入很大一筆錢更換終端和升級應(yīng)用。“如果說我們有臺機器不用升級，能直接將新的應(yīng)用從PC端獲得的話，不就沒必要花這筆費用了？”他這樣自問。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和移動終端普及后，新的問題又來了。“比如蘋果手機，它就是一個封閉系統(tǒng)。如果你要使用中國移動平臺上的軟件，現(xiàn)在肯定沒法用。而我們成果的意義就在于能夠打破兩個系統(tǒng)的限制，實現(xiàn)兩者所開發(fā)軟件的自由使用。” 在張堯?qū)W看來，不能指導(dǎo)實踐的理論必然是空洞的。事實上，目睹軟硬件相互捆綁、嚴(yán)重依賴導(dǎo)致的封閉化現(xiàn)象對用戶和產(chǎn)業(yè)造成的傷害，正是他從事網(wǎng)絡(luò)計算研究并最終提出透明計算理論的原動力。
從2009年開始，張堯?qū)W團隊將透明計算拓展至移動互聯(lián)網(wǎng)。到2010年，他們終于做出了一個模型。2012年10月出版的《國際云計算雜志》以長達百余頁的專輯形式介紹了這種新型網(wǎng)絡(luò)計算操作系統(tǒng)，在國際業(yè)界引起震動。
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。它看上去就是一臺顯示器，比一體機還要小，其容量近乎裸機。
工作人員向記者現(xiàn)場演示了大型軟件AutoCAD的使用過程。原來，所有數(shù)據(jù)和程序的存儲都不在終端上，而是存儲于服務(wù)器上，計算機上只有一個個虛擬圖標(biāo)。使用時，只要進入Meta OS，便可根據(jù)需求選擇調(diào)用Windows、Linux、IOS等不同操作系統(tǒng)，不僅啟動速度和平時沒什么兩樣，還可與旁邊手持平板電腦和智能手機等移動終端的用戶實現(xiàn)同步編輯。
令記者不解的是，人們早已習(xí)慣的下載安裝過程似乎在“不知不覺”中消失了。據(jù)介紹，只要網(wǎng)絡(luò)正常，在世界上任何一個地點登陸，都可以感受到同樣的上述用戶體驗，而且不必?fù)?dān)心大量的流量使用，來自后臺的精心設(shè)計展現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)理論改進后的強大威力和迷人魅力。
張堯?qū)W告訴記者，Meta OS位于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)和底層硬件芯片之間，相當(dāng)于傳統(tǒng)桌面計算機的BIOS層。不僅終端內(nèi)存占用量大大減少，而且可達到多層次緩存效果，讓用戶可以根據(jù)需要通過近乎裸機的小終端獲取不同操作系統(tǒng)平臺的各種服務(wù)，從而大大降低了對用戶終端的要求和平臺的限制。
透明計算模式采用的計算方法又被形象稱為“流式計算”，使服務(wù)像水、電一樣供用戶使用。這正是谷歌等互聯(lián)網(wǎng)巨頭描繪的“云計算”藍圖，它已被中國科學(xué)家率先提出和實現(xiàn)并成功走出實驗室，運用于我國教育、通信、醫(yī)療、冶金等行業(yè)，引起了中國移動、阿里巴巴、騰訊、華為、聯(lián)想等企業(yè)密切關(guān)注。
超越“替代策略”
源自中國的網(wǎng)絡(luò)計算原創(chuàng)成果引起了國際IT巨頭英特爾公司的高度重視。從2007年起，英特爾就成立了專門研究隊伍持續(xù)跟蹤研究并大力推廣。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與會者介紹張堯?qū)W和透明計算，并預(yù)言稱“今后的十年將是透明計算的十年”。如此高調(diào)地推薦一項非英特爾原創(chuàng)的技術(shù)，不僅在英特爾歷史上前所未有，就是在全球信息技術(shù)領(lǐng)域也極為罕見。
盡管如此，對于國內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域的差距，張堯?qū)W仍有清醒的認(rèn)識。“國內(nèi)目前所使用的CPU基本上都不是國內(nèi)自己做的，而是國外做出來的，所以目前我們使用的電腦到底安不安全，我們自己是不知道的。”他表示，目前他們的研究已掌握了國外CPU的結(jié)構(gòu)指令，“雖然我們還不是很清楚門內(nèi)是什么，但至少已經(jīng)把守住了門口。”
在張堯?qū)W看來，透明計算在理論和應(yīng)用上的突破對產(chǎn)業(yè)的意義主要在于：改變了我國操作系統(tǒng)發(fā)展一貫采取的“替代策略”，可解決國家網(wǎng)絡(luò)安全和操作系統(tǒng)技術(shù)長期受制于人的重大問題，并具有可形成新的IT產(chǎn)業(yè)鏈、拉動其他產(chǎn)業(yè)升級換代的前景與能力。
談到我國IT技術(shù)的發(fā)展，張堯?qū)W深有感觸。“以前，別的公司做了CPU，我們就想做個CPU來取代別的公司；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，這種替代策略在IT領(lǐng)域其實是一個非常艱苦的策略，“因為別的已有公司在用戶體系、資金與市場上都已經(jīng)非常成熟，你不可能輕易撼動。”他自己給出的答案是：共存。
“透明計算是對以往存儲計算的一個擴展，并非完全取代。”張堯?qū)W說，它“不破壞、不反對、不消滅”原來的體系結(jié)構(gòu)，但會派生出很多新的終端來，從而改變商業(yè)模式和軟件的使用模式。
回顧團隊的研究歷程，張堯?qū)W坦言，起初他們只是專注于問題本身，不想一味模仿和替代，并沒有想到一定要做出什么轟動世界的東西。“從解決實際問題出發(fā)，產(chǎn)生了一些明確的動機和原創(chuàng)的想法。”隨后，他們帶著這個動機和想法一鉆就是二十年。
其間，國家自然科學(xué)基金的支持發(fā)揮了重要作用。1995年、1997年、2009年，透明計算系列研究工作三次獲得國家自然科學(xué)基金項目資助。長達十余年的跟蹤支持為相關(guān)研究工作的持續(xù)開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
“國家自然科學(xué)基金‘不多不少’的經(jīng)費支持，鼓勵探索、寬容失敗的資助定位，激勵研究人員摒棄浮躁，尊重科學(xué)，忠于理想，潛心學(xué)問，在創(chuàng)造力最旺盛的年齡階段夯實研究基石。”張堯?qū)W說。不忘初心，方得始終，這或許就是“運氣”背后的答案。
