引领创新,争做源头—写在中国科学院计算技术研究所成立六十周年

2019年2月10日21:02:57引领创新,争做源头—写在中国科学院计算技术研究所成立六十周年已关闭评论 83 views

孙凝晖

中科院计算所成立于 1956 年,距今整整一甲子。60 年, 计算所成为了我国计算机事业的发源地、计算机界骨干人才的摇篮、信息产业繁荣发展的桥头堡。六十年峥嵘岁月,计算所已经枝繁叶茂。

如果站在一个高远的可以看到计算所 60 年发展全貌的角度,你会发现,计算所这 60 年所做出的所有努力和成绩,都着眼于两点:一只眼睛盯着国家使命,另一只眼睛盯着计算机学科的进展。

一.面向国家需求主战场

今年 5 月 30 日,习近平总书记在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上指出:“实现‘两个一百年’奋斗目标,实现中华民族伟大复兴的中国梦,必须坚持走中国特色自主创新道路,面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求,加快各领域科技创新,掌握全球科技竞争先机。”

“三个面向”并不是割裂的,而是一脉相承、环环相扣的。尤其在高技术领域,从重在科学发现的前沿基础研究,到满足国家重大需求的重大任务,再到面向国民经济主战场,符合科学、技术、应用这样一个发展规律。

作为国家发展科学技术采取的四项紧急措施之一而成立的国立研究所,计算所从为研制“两弹一星”提供计算机设备, 到发展微机技术、创办“联想”等企业,再到发展曙光高性能计算机和龙芯处理器,“三个面向”早已在计算所的所史上留下深深的印记。总结计算所这些工作可以精炼为一句话:翻越信息产业领域核心技术的“三座大山”,最终从根本上保障国家信息化的安全。

习近平总书记在“4 · 19”网络安全和信息化工作座谈会上指出,“互联网核心技术是我们最大的“命门”,核心技术受制于人是我们最大的隐患。”如不掌握信息领域的核心技术, 国家信息化安全就永远面临威胁。因此,我们要将信息领域的核心技术牢牢掌握在自己手中。要做到这一点,打破封锁、打破垄断、引领创新,是我们前进道路上必须翻越的“三座大山”。

  1. 打破封锁

我国计算机事业在初创时期,面临的是计算技术专业人才凤毛麟角、计算技术是空白学科、计算机研究无从抓起的严峻现实,可以说是一穷二白。同时,因为计算机技术在当时主要服务于国防安全和石油勘探等领域,国际上对我实施封锁技术的战略,在相关设备的购买和使用方面,我国没有一点主动权。

发展自主计算机技术、打破封锁势在必行。

从计算所的发展历史来看,我们用了半个世纪的时间都在翻这座大山。从 1956 年建所到 60 年代中期,计算机学科主要面向的是国防科研任务,计算所在“任务带学科”的发展规划下,成功研制了为“两弹一星”的研制做出突出贡献的 109 丙机;从 60 年代中期到 80 年代初期,这一时期定位是为国防科研和重要行业部门服务,增加了民口的任务,757 机和 KJ8920 石油勘探处理系统即为当时的典型成果;从改革开放开始到 90 年代后期,计算所当时定位于推动国民经济建设,促进信息产业的发展,先后取得了联想个人电脑和“曙光一号”服务器这样具有历史标志性的成果,洗刷了“玻璃房子”的耻辱; 从 1998 年开始科学院进入知识创新工程时期,计算所形成了“科研为国分忧,创新与民造福”的核心价值观,定位于“三头”,即做国家重大科研计划的“龙头”、信息产业关键技术的“源头”和某些学术方向的“领头雁”,曙光高性能计算机和龙芯通用处理器在这期间横空出世。

历史画卷打开,计算所 50 年的时间都在努力打破一项又一项的“技术封锁”,“打破封锁”这座大山我们已经走完了十之七八。

  1. 打破垄断

21 世纪,全球进入信息社会。信息社会的特征就是信息被广泛应用。美国的“信息高速公路”计划促进了互联网的普及和繁荣,在我国也诞生了很多重要的互联网企业, 然而我国的信息化水平仍处于低端,目前我国的人均信息消费尚不及美国的 1/30,甚至不及经济水平相当的巴西的 1/3,其中一个重要原因是信息基础设施不足、用户体验差。

信息消费水平一定程度上反映了信息技术的发展水平。长期以来,我们没能将信息领域的核心技术掌握在自己手里,信息产品的国内市场多被国外厂商垄断,成为掣肘我国信息产业健康发展、制约人均信息消费水平的重要因素。

中国信息产业经过多年积累,已实现产业链很多关键环节的自主替代,华为打破了思科等在网络通信领域的市场垄断即是一例。然而,我们在核心芯片(如通用处理器)和基础软件领域(如操作系统)仍与发达国家存在差距,还行进在打破垄断的道路上。

计算所在打破国际巨头的市场垄断上做出了巨大的贡献。联想打破了个人计算机核心技术的垄断,在应用最为广泛 PC 上做到了市场份额世界第一;曙光高性能计算机打破了 IBM 等厂商对市场的垄断,并不断开拓应用场景,从传统的石油勘探、气象预报、国防安全、科学计算等应用领域拓展到各行各业, 特别是互联网、云计算、大数据等新兴行业应用,在曙光和联想公司的努力下,使得中国在 HPC  TOP500 的份额上 2016 年超越了美国;在服务器市场领域,联想在并购 IBM x86 业务后, 使中国服务器整体市场份额在 2015 年上升到 14.72%。

在通用处理器市场领域,我们还没有打破 Intel 和 ARM 的生态系统的垄断,“第三极”的秩序还没有建立起来。凭借龙芯、海光等自主芯片的研发,我们已经打破了在处理器技术上的封锁,正在建立一个以“中国芯”为代表的“第三极”生态。

要提高信息消费水平,我国应构建高效能、高智能、高通量的信息基础设施,正如我国把高铁作为人口众多的中国的核心交通基础设施一样,我们也应建设“信息高铁”信息基础设施,促进国内的信息消费,支撑“互联网 +”战略落地。我们要在十三五期间研制通用大数据引擎、高通量云服务器、海计算机、服务控制路由器、超级基站等五大核心装备,以支撑端、网、云、数、用五个层次的新一代信息基础设施。

“打破垄断”这项任务,确切来讲是在改革开放以后开始做的,一直到今天 30 多年了,我们还没有完成,还需要付出更多努力。

  1. 引领创新

完成打破封锁、打破垄断这两项任务,还做不到“从根本上保障”国家信息安全。

美国从不用担心国家信息安全,原因就在于他们在信息领域永远跑在前面:IBM、微软、苹果、Facebook、特斯拉…… 一系列的创新持续不断,他们总是在引领世界。

反观我国,华为的“迷茫”是个鲜明的对比。在 5 月 30 日召开的全国科技创新大会上,华为公司创始人、总裁任正非作了《以创新为核心竞争力为祖国百年科技振兴而奋斗》的汇报发言。他说,华为“正在本行业逐步攻入无人区,处在无人领航、无既定规则,无人跟随的困境”,“已感到前途茫茫,找不到方向”。

华为为什么迷茫?华为在信息通讯市场取得了巨大的成就,但它以前是跟跑,创新也是跟随式创新。当它追上领跑者、跑在前面的时候,一下子不习惯了。在“重大创新是无人区的生存法则”之下,没有引领创新能力的华为觉得迷茫、找不到方向。我国信息产业大而不强,就是因为缺少引领创新。

引领创新不仅是做别人没有做过的事,还要在做的时候, 后边有一大批跟随者,这才称得上引领创新。也就是说,引领创新要在一个有相当大辐射面的方向上引领一个产业。在信息领域翻越“引领创新”这座大山比前面两座都要难。

计算所在三个方向已经呈现出了引领创新的势头。

第一个是面向深度学习的处理器。计算所未来计算实验室是世界上最早从事深度学习处理器架构研究的团队之一,与国际合作者(包括法国 Inria 和瑞士 EPFL)共同完成的一系列学术论文(DianNao 系列),先后获得了计算机体系结构领域顶级会议 ASPLOS 14 和 MICRO 14 的最佳论文奖。除发表的学术论文之外,计算所研制了世界上首个深度学习处理器芯片——寒武纪。

可以说我们开辟了深度学习智能处理器方向,国际知名大学和 IT 巨头都在跟随我们。但是我们还没有成为深度学习产业的领头羊,还需要相当长时间的努力向前猛跑。

第二个是我们的第三代数据中心技术。第三代数据中心技术是区别于第一代的企业数据中心和第二代的互联网数据中心的、以云计算和大数据为核心的数据中心,我们称之为高通量计算技术。在人机物融合的物联网时代,“智能”是未来应用的标配。第三代数据中心技术服务于智能应用,是“物联网的数据中心”。在这方面,我们也是刚刚起步、勇于走在前面, 目前正与华为开展着紧密的合作。

信息技术的基础设施包括“端、网、云”。深度学习处理器是“端”,第三代数据中心是“云”,我们在中间那个“网”上也做了不少工作,其中就有我们第三个企图引领创新的方向——“超级基站”。

在过去,无线通信基站越做越小、越来越密。过去的基站从原来的 5 公里、3 公里一个,到甚至 1 公里一个、一座楼一个,“蜂窝网”趋于密集之势。我们的工作思路是反其道而行之,致力于让基站越来越少,一座城市现在需要 1 万个基站,我们希望做到基站不超过 5 个。

我们要把无线通信的能力提高 1000 倍,把能耗降下来。只有集中了,才能够实现资源复用,包括频谱资源的复用。另外, 数据服务的资源融合在一块,才能做到数据融合。另外,我们不但要宽带传输,还要节带传输。路越来越宽不代表服务质量越来越好,节带传输关注的正是最终的服务质量。我们做超级基站,也是在引领无线通信的创新方向。

以上工作,是计算所在“端、网、云”信息领域基础设施的未来布局。目前我们已经取得不少学术上的突破,但还没有真正做到引领创新,还需要再接再厉。我们清楚,未来如果我们不能翻越引领创新这座“大山”,就没法从根本上保障国家信息安全。

此外,计算所“引领型”工作一定是“成体系的引领产业的原始性创新”。“成体系”是从上向下看,强调完整性,能说出符合国家重大需求的“大故事”;“引领产业”是横向看,强调得到产业界和企业的认可,核心是技术的国际竞争力;“原始性创新”是从下向上看,强调学术界的认可,核心是科研人员的国际化。这三者缺一不可,唯有这样才能避免原始创新的碎片化。

纵观寰球,除了美国这个高度发达的国家,没有几个国家拥有完全自主可控的核心技术体系,也没有几个国家的信息科技完全不依赖他国,更没有几个国家做到持续引领创新。但我们国家作为一个有着 5000 年灿烂文明的大国,从来不甘人后。在“实现中华民族伟大复兴”的感召下,在万物联网的时代呼唤中,我们必须建立起自主可控的信息产业核心技术体系,才有底气同西方强国平起平坐。

二.面向计算机学科的未来发展

计算所的目标是做到“世界一流”。国家和中科院领导也都对计算所寄予厚望,期望我们尽快“走向世界一流”。但是我们认为,如果仅仅“面向国家需求主战场”来发展计算所, 很难达到世界一流。我们还需要将眼光聚焦于另外一个维度, 那就是对计算学科本质的深层次探索。在这个维度上,我们的奋斗目标就写在了计算所展厅里:“计算无所不在”。

信息化经历了以计算机一元世界为特征的 IT1.0 时代,到以“人 - 机”二元世界为特征的 IT2.0 时代,正在向以“人 - 机 -物”三元世界为特征的 IT3.0 时代发展,信息技术的范式正在发生变革:从算得快变成算得多,从事务型计算变成通量型计算,从聚焦数据通路变成关注控制能力,从数据分析变成信息融合,从单模智能变成多模智能,从高熵系统变成低熵系统等等。IT2.0 时代的人(十亿级)- 机(亿级)间的二元互联,催生出智能手机和云计算等核心技术,IT3.0 时代的人(百亿级)-机(十亿级)- 物(千亿级)间的三元融合需将 IT 基础设施的能力提升 3 个数量级,计算技术面临巨大挑战。

要应对挑战让“计算无所不在”,至少需要有两个层次的革新,一是计算机,另一是网络。

  1. 物端计算机

从计算机的发展历程来看,已经经历了 DC(Department Computer,专用计算机)、EC(Enterprise Computer,企业级计算机,也即“服务器”)、PC(Personal  Computer,个人计算机与智能手机)3 个阶段,计算所已经通过打破封锁、打破垄断在这些计算机领域取得了相应的成果。DC 是计算机的第一个目标,计算所的建立正是要制造服务于国防和安全部门的计算机,夏培肃院士、高庆狮院士等是那个时代的先行者, 随后 DC 在教育、石油、气象、农业领域得到应用;后来,李国杰院士等人带领的团队攻下了 EC 的堡垒,高性能计算机与服务器在上世纪八九十年代后得到广泛应用,曙光、浪潮等企业获得了长足的发展;随着个人电脑市场需求的增大,倪光南院士等人在中国推进和发展了 PC,联想已经成为这个行业的“龙头”。

计算机经历 3 个目标发展至今,已经在我们工作、生活、办公、娱乐等环境中随处可见,但还没有达到“无所不在”的地步。这也是我们接下来要做的 TC—Things Computer(也称 XaaC,X as a computer,即计算机化),我们称作“物端计算机”。

结合物联网的概念,TC 很容易理解。汽车、电视、跑步背心、眼镜、手表、机器人……这些都是“物”,在我们看来,这些“物” 都有计算的需求,我们需要把这些“物”的需求一层层抽象, 抽象出一种架构,定义成为 TC 的标准,就像当年的 IBM 定义了 PC 的架构一样。以后,无论是无人机、机器人还是智能背心, 它们都具有“TC 架构”,这就是未来的“物端计算机”。

信息技术正处于大变革的历史前夜,与世界站在同一起跑线上,我们有机会做颠覆性创新的前沿研究。我们在科学院NICT 先导专项承担的海云计算系统,就是要研究如何将全计算机缩小到厘米级别。人们用了 30 年将 PC 做成智能手机的样子,结合计算机化的发展趋势,乐观的估计 TC 会在 20 年内做成气候。

  1. 下一代互联网络

从网络的发展历程来看,也已经历了互联网(IT  1.0)、移动互联网(IT 2.0)2 个阶段,TC 诞生后,如何将 EB 级大数据送到云端进行高速智能处理,是未来三元融合世界(IT 3.0) 的核心技术。通俗来讲,下一代互联网将实现计算机之间、人与人之间、数据之间的互通互联,提供一个服务更好的网络。

互联网的发展,总体来看是一个“三步走”的战略。

第一步是,实现计算机与计算机之间的联网,让计算机之间互相“认识”。计算所最早在国内开展网络建设,1991 年中科院在高能物理所建成第一条与 Internet 连接的专线,并与斯坦福大学连接成功,开启了中国的互联网时代。现在我们强调的计算机联网更多是指服务器与服务器之间、数据中心与数据中心之间的互通互联。

第二步,实现“人 - 机联网”和“人 - 人网络”。想象在一个“IT 世界”里,计算机之间互通互联,人们通过终端与 IT 世界连接,人和计算机都产生数据,通过服务器发生人与人之间的数据交流。前文中提及的超级基站,就是让互联网的外延多出的“人 - 机”“人 - 人”这两条边更加通畅。

第三步,出现了一个重要的概念:数据,数据之间也要联网。从学科的角度来看,我们的网络社交、在线购物等都是数据之间互通互联的结果。大数据就是数据之间有链接的网络关系,各个维度的数据构成一个复杂的网络。换言之,IT 的世界里只有计算机和数据,过去数据之间没有联网,一旦数据之间联网,计算就无处不在了。

我们目前面对的是,电商平台一个数据网络,搜索引擎一个数据网络,社交平台一个数据网络,未来或许无人机、机器人都会有一个数据网络。数据网络很复杂,因此我们试图建立一个通用的数据网络处理系统与分析平台,所有的数据网络都可以通过这个平台进行数据联网和挖掘分析。

计算真正无所不在,这是我们未来要做的。

3.“智能 +”计算世界

当计算机的维度扩展到 TC,网络的维度扩展到“机 - 机”“人 - 机”和“数据 - 数据”网络,下一步是什么?计算机世界还缺少什么?人类智能。前面所说的计算机、网络的世界,人的记忆没有在其中,人的学习能力没有在其中,人的创造力、获取新知识的能力没有在其中。

谷歌“AlphaGo”的机器会下棋,本质是一个数据网络。

AlphaGo 看似很强大,“棋艺”堪比顶尖人类职业棋手,但是AlphaGo 并不知道自己有多厉害,也并不知道每一步棋“为什么”要那么下。它的“棋路”不过是可以匹配当前棋局、并且如此匹配能够获得较大胜率的一个数据网络,还不是真正的人类智能。

智能是什么?它是人脑思考的产物,是自然界与生赋予的。

计算机世界则不是,它是人造的、虚拟的世界。让虚拟世界也具有人类智能,能够更好的利用虚拟世界为人类服务。现在的智能还很初级,更多的还需要通过数据网络来实现。如何把智能抽象出来、形式化出来,让计算机“懂”,然后把它加到虚拟世界里面,让智能与计算机“+”,与网络“+”,成为计算世界的一部分,这是我们未来要做的事情。

总结一下,未来计算所将秉承国家使命,攀上引领创新的高峰,从根本上保障国家信息化安全。着眼于学科发展,计算所的目标是让计算无所不在,发展 TC,让每个物体都变成计算机,让智能也进入计算的世界,进入到网络中。

三.以何种姿态迎接计算所百年?

今天,我们迎来了计算所 60 华诞。回首过去的成绩与得失,一切仿佛如昨。走过了 60 年,我们不禁会问这样一个问题:

再过几十年,到 2030 年、到 2050 年、到计算所百年的时候, 我们将以何种姿态来迎接?

  1. 敢做最难之事

每一代计算所人都勇于做“最难的事”。新时期下,摆在计算所人面前的是保障国家网络空间与信息化的根本安全、引领计算技术学科向前发展、率先成为世界一流科研机构这些艰巨的任务。而当前的情况是,在计算机领域中国离世界一流工作还有很大差距,与发达国家科技水平接轨也许到 2030 年才能够实现,可能要到 2050 年才能与斯坦福大学这样的最顶尖机构比肩而立。

在成为百年老所之前,计算所要先通过举措实现三大转变。

第一个举措,就是要转模式。

打破封锁、填补空白、打破垄断、自主可控、集成创新, 这些以不同时期的国家重大需求为动机与目标的模式,曾经让我们取得了巨大的成就,管了中国科技 60 年,也管了计算所近60 年,未来十年、二十年可能还将延续这种模式。不得不承认,“天赋使命”是成就我们的“龙头”辉煌的关键。但是,在新的形势下,当“天赋使命”的色彩逐渐褪去的时候,延续我们目前的模式,到 2030 年,我们能成为世界一流的研究所吗?

因此,计算所的发展模式,一定要从“打破”变成“引领”。我们以前总提“弯道超车”,永远在同一条赛道上“自主创新”;现在我们要提“变道超车”,换一条赛道“引领创新”。从“任务带学科”变成“学科带任务”,转变创新模式是最重要的。

第二个举措,就是要有“钱变知识”的手段。

我们知道,近年来国家越来越重视科技发展,对科技投入越来越多,但是我们不能事事等待国家投入再去做,这样容易丧失主动。因此计算所要通过成立相应的发展基金等手段,用“新钱”办“新事”。计算所与华为公司建立联合实验室,这里就有“新钱”和“新事”。

我们通过技术转移已经具备了“知识变钱”的能力,我们希望能用知识变来的“新钱”再去“变新知识”,形成一条“科技创新 - 资本 - 科技创新”的良性循环,提高资本在科技创新中的效率。

第三个举措,是计算所的科研一定要重装化。

科研重装化,意味着我们不要当轻骑兵。轻骑兵是什么? 一位教授,三五个学生,可以在某个点上的科研走得很远。但是我们要打造重型装甲队伍,要做高端高性能设备、要做核心元器件、要做引领产业发展的成果。因此,我们从目标、手段、科研设备方面都要求重装化,只有这样,计算所才能沉下心来发挥国立研究所的优势,完成我们的天赋使命。

  1. 对标斯坦福大学

计算所将“一个定位”描述为:“创建学术前瞻的引领产业型战略高技术研究所,保障国家信息安全,成为中国计算机产业人才与技术的源头。在计算技术学科的计算机系统、网络、智能技术三个主要研究领域,开展以体系结构与算法为特色的学术研究、技术创新、技术应用与技术转移,率先成为世界一流水平的研究所。”

到 2030 年,要实现计算所的“一个定位”,必须要转型,成为“斯坦福模式”的研究所。所谓的斯坦福模式,概括而言就是:加强原创性基础研究,利用知识创新成果,孵化与辐射高技术公司,促进新产业形成,提升国家竞争力。

计算所要学习斯坦福大学,要形成从知识到创新、从产业到国家战略需求的贯通,以科教融合中心、创新研究院和“ICT Support”企业作为载体,推动“源头”定位的实现。

  1. 争做产业源头

办企业是计算所的特色、也是优势,是实现源头的必要手段。我们对产业的贡献不是办成了多少大型企业,而是扮演一个孕育和孵化的角色,也就是“源头”和“关键环节”的作用。我们有 6 点经验值得总结。

第一,跟企业成立联合实验室。计算所在这方面最典型的例子是与华为的合作,这一举措的主要作用是让企业早期介入技术的研究。

第二,用知识产权保护产业。知识产权的申请就是要形成一个保护链,科研人员申请知识产权不能为了报奖,而是对相关产业形成保护。比如我们新成立的寒武纪公司最先开始做的就是申请知识产权,再将技术转移到产业去。科学院新近成立了中国科学院知识产权运营管理中心,就挂靠在了计算所。

第三,通过分所促进地方经济转型升级。这是计算所以技术服务地方的重要经验,在地方设立分所不是为了转移转化某项技术,而是希望用信息化的手段,促进地方经济转型升级。比如顺德分所,当地的大型机械装备厂家通过与分所合作,通过信息化、自动化、智能化手段促进了机械制造业的升级。

第四,营造创业环境。这一点主要支持员工和学生创新创业,类似于硅谷的创业孵化器,计算所在构建双创环境方面不遗余力,开展培训、沙龙、孵化器、专业指导与服务、投资接洽一系列繁复巨细的工作。

第五,加速骨干企业的发展。对于计算所的骨干企业,如曙光、龙芯、晶上、天玑、寒武纪等,我们会通过人才、技术和管理等促进骨干企业的发展,并将其视作我们的大计算所的一部分。

第六,计算所投资平台。这是我们一直希望做成、但目前还没有去做的一件事。放眼世界一流研究机构,斯坦福大学、剑桥大学、帝国理工这些做技术转移比较好的机构,都有自己的投资平台。

如果把计算所自建所以来所做的事情比作登山,我们已经处在了半山腰的位置,前面的路通往引领创新的顶峰,我们惟有不断攀登,才能实现目标。

weinxin
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