通明盘算：创作发明下一个“云”时期

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透明计算：创作发明下一个“云”时代

——解读2014年度国家天然科学奖一等奖

起源：中国科学报 2015-1-13 成舸

　　一个由中国科学家提出、界说、设计并实现的计算机领域的原创成果斩获了我国基础研究“桂冠”——2014年度国家自然科学奖一等奖。这就是被国外同业称为“先于云计算、包括云计算”的网络计算理论及模式——“透明计算”。清华大学教学、中南大黉舍长、中国工程院院士张尧学和他的两个研究团队经过潜心研究，20年磨一剑，把理论立异与一般用户的需要相联合，发明了首个由中国推进的计算技术。

别了，冯•诺依曼

　　半个多世纪以来，冯•诺依曼的名字被IT人奉为圭臬。这位美国科学家以经典的单机存储式体系结构，奠定了古代计算机的基础，恒久盘踞计算机主流。但是，跟着互联网技术的高速发展和大数据时代的降临，冯•诺依曼结构的范围性日趋凸显，产生了网络安全性低、用户使用复杂、产业链受制于人等一系列问题。

　　“现在的计算机体系结构是单机的，在单机上发展越多，操作系统就会愈来愈宏大和庞杂，不行防止地会呈现良多漏洞。”据张尧学介绍。进入上世纪70年月当前，随同着局域网的发展，计算机已逐渐进入网络计算阶段，但计算机之间的互联主如果靠协议，理论基础并没有大突破。

　　若何打破冯•诺依曼结构的约束，领有安全、高效的“中国”标签的自立常识产权成果？这个问题不仅关联到计算机技术的将来，同样成为关系国家和社会开展的严重课题。

　　被张尧学称为“福气”的透明计算原创成果，因对冯•诺依曼结构作出的反动性改进备受国表里关注。实践上，相关工作始于1991年。这一年，在清华大学任教的张尧学开始努力于计算机体系结构与计算模式的创新。7年后，他请求的国家“863”项目失掉成功，并开收回国内首台网络计算机（NPC）。

　　彼时，互联网才刚普及，中国接入互联网尚不到5年，IT界还广泛处于操作系统为王的“微软时代”，灵敏的张尧学已意想到网络对计算机自身带来的深入影响。在把运用软件放到服务器上以后，他又开始测验考试把操作系统从底本已非常精简的终端上拿失落，提出了没有操作系统的计算模式。

　　按冯•诺依曼的经典设计，数据和顺序都不加差别地寄存在统一台计算机的存储器中，被CPU挪用履行，构成芯片层、接口层、操作系统、软件利用和网络层的严厉品级结构。不操作系统的计算机不可思议，不只计算机的处置形式是串行的，而且网络也像“云端”一样裸露在外层。

　　2004年，张尧学正式提出“透明计算”的思惟。其中心是将数据存储、计算与治理相分别，并建立了跨终端、跨平台的“双跨”准则和“按需服务”的理念。这一体系确实破比国外 “云计算”观点的提出早了整整3年。

　　针对开放与平安这一对看似“悖论”的抵触，张尧学团队提出了一个勇敢的改进：将网络互连平台由较高的网络层降落到芯片和操作系统之间的接口层。这一转变不只完全翻开了被外洋厂商把持的芯片与操作系统间的“黑匣子”，因为在接口层设计了维护法式，也使下层软件系统受攻打和保险破绽要挟的危险大大降低。

　　学术界以为，这种从计算机系统底层追求安全掩护的方式翻新地改变了计算机领域近70年的固有思惟和产物结构形式，理论上可防备一切病毒对计算机系统的袭击，使用户释怀使用各种网络效劳，周全晋升计算机安全级别。

　　再进一步，研究团队将计算机总线扩展为网线，将单机串行处理扩大到多机并行处理，完成了对冯•诺依曼结构的“时空扩展”。至此，一个顺应网络时期的新体系结构初具雏形。

　　中国粹者的工作引起了主流计算机科学界的密切关注，国际上目前已有30多所大学和科研机构对该领域开展跟踪研究。美国计算机学会会士（ACM Fellow）Marshall C.Yovits将透明计算称为“张氏协定综正当”；而另外一位ACM Fellow，平等网络开创人之1、美国卡耐基梅隆大学计算机系传授张辉更是大胆猜测：透明计算将取代已节制计算机系统思维和实践至多60年之久的传统冯•诺依曼结构。

中国“超等操作系统”

　　把操作系统从终端上拿掉后，用户怎样操作和使用计算机呢？张尧学定义和提出了一个名为Meta OS的“超级操作系统”。简言之，就是“管理操作系统的操作系统”。

　　早在上世纪90年代初，张尧学就留神到，为了赶潮水或升级换代，人们每一年城市投入很大一笔钱调换终端和升级应用。“如果说我们有台机械不必升级，能直接将新的应用从PC端获得的话，不就没需要花这笔用度了？”他如许自问。

　　当网络和移动终端遍及后，新的成绩又来了。“比方苹果手机，它就是一个封锁系统。假如你要使用中国移动平台上的软件，当初确定没法用。而我们结果的意思就在于可能攻破两个系统的制约，完成二者所开辟软件的自在使用。” 在张尧学看来，不克不及领导实际的理论必定是空泛的。现实上，目击软硬件彼此绑缚、重大依附致使的关闭化景象对用户和工业酿成的损害，恰是他从事网络计算研究并终极提出透明计算理论的原能源。

　　从2009年开端，张尧学团队将通明计算拓展至挪动互联网。到2010年，他们终究做出了一个模子。2012年10月出书的《国际云计算杂志》以长达百余页的专辑情势先容了这种新型收集计算操作系统，在国际业界引发震撼。

　　在中南大学计算机系的透明计算实验室里，记者见到了这台被研究人员唤作“小宝”的透明计算终端。它看上去就是一台表现器，比一体机还要小，其容量近乎裸机。

　　工作职员向记者现场演示了大型软件AutoCAD的使用过程。本来，所稀有据和顺序的存储都不在终端上，而是存储于服务器上，计算机上只要一个个虚构图标。使用时，只要进入Meta OS，即可根据需求抉择调用Windows、Linux、IOS等不同操作系统，不仅启动速率和日常平凡没什么两样，还可与旁边手持平板电脑和智妙手机等移动终端的用户实现同步编纂。

　　令记者不解的是，人们早已习气的下载装置进程仿佛在“人不知鬼不觉”中消散了。据介绍，只有网络畸形，活着界上任何一个地址登岸，都可以感触到一样的上述用户休会，而且不用担忧大批的流量应用，来自后盾的经心计划展示了体制构造实践改良后的强盛威力和诱人魅力。

　　张尧学告知记者，Meta OS位于传统操纵系统跟底层硬件芯片之间，相称于传统桌面盘算机的BIOS层。不但终端内存占用量大大削减，并且可到达多档次缓存后果，让用户能够依据须要经由过程近乎裸机的小终端获得分歧操作体系平台的各类办事，从而大年夜下降了对用户终真个要乞降平台的限度。

　　透明计算模式采取的计算办法又被抽象称为“流式计算”，使效劳像水、电一样供用户使用。这正是谷歌等互联网巨子刻画的“云计算”蓝图，它已被中国科学家率先提出和实现并胜利走出试验室，应用于我国教导、通讯、医疗、冶金等行业，惹起了中国移动、阿里巴巴、腾讯、华为、遐想等企业亲密存眷。

超出“替代策略”

　　源自中国的网络计算原创成果惹起了国际IT巨头英特尔公司的高度器重。从2007年起，英特尔就建立了专门研究步队持续跟踪研究并鼎力推行。在2012年的英特尔全球信息技术峰会上，现任总裁詹睿妮用了一个小时向预会者介绍张尧学和透明计算，并预言称“此后的十年将是透明计算的十年”。如斯高调地推举一项非英特尔原创的技术，不仅在英特尔汗青上史无前例，就是在寰球信息技术领域也极其常见。

　　只管如此，对海内内在信息技术领域的差距，张尧学仍有苏醒的意识。“国内目前所使用的CPU基础上都不是国内自己做的，而是国外做出来的，以是今朝我们使用的电脑究竟安不安全，我们自己是不晓得的。”他表现，目前他们的研究已控制了国外CPU的结构指令，“固然我们还不是很明白门内是什么，但最少曾经扼守住了门口。”

　　在张尧学看来，透明计算在理论和应用上的冲破对产业的意义重要在于：改变了我国操作系统开展一向采用的“替代策略”，可处理国家网络安全和操作系统技术持久受制于人的严重问题，并存在可造成新的IT产业链、拉动其余产业进级换代的远景与才能。

　　谈到我国IT技巧的成长，张尧学深有感想。“之前，另外公司做了CPU，咱们就想做个CPU来代替此外公司；人家有个Windows操作系统，我们就想做个操作系统来取代它。”在他看来，这类替换战略在IT范畴实际上是一个十分艰难的战略，“由于其它已有公司在用户系统、资金与市场上都已无比成熟，你不成能容易撼动。”他本人给出的谜底是：共存。

　　“透明计算是对以往存储计算的一个扩展，并不是完整取代。”张尧学说，它“不损坏、不否决、不毁灭”原来的体系结构，但会派生出许多新的终端来，从而改变贸易模式和软件的使用模式。

　　回想团队的研究过程，张尧学坦言，开初他们只是专一于问题本身，不想一味模拟和替代，并没有想到必定要做出甚么惊动天下的货色,清华财务管理。“从处理现实成绩动身，发生了一些明白的念头和原创的设法。”随后，他们带着这个动机和主意一钻就是二十年。

　　其间，国家天然迷信基金的支持施展了主要感化。1995年、1997年、2009年，通明计算系列研讨任务三次取得国度做作科学基金名目赞助。长达十余年的跟踪支撑为相干研究任务的连续发展奠基了坚固的基本。

　　“国家自然科学基金‘未几很多’的经费支持，激励摸索、宽容掉败的资助定位，鼓励研究人员摒弃急躁，尊敬科学，忠于幻想，潜心学识，在创造力最茂盛的年纪阶段夯实研究基石。”张尧学说。不忘初心，方得一直，这或者就是“运气”背地的答案。