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透明計算：創作發明下一個“云”時代

——解讀2014年度國家天然科學獎一等獎

起源：中國科學報 2015-1-13 成舸

　　一個由中國科學家提出、界說、設計并實現的計算機領域的原創成果斬獲了我國基礎研究“桂冠”——2014年度國家自然科學獎一等獎。這就是被國外同業稱為“先于云計算、包括云計算”的網絡計算理論及模式——“透明計算”。清華大學教學、中南大黌舍長、中國工程院院士張堯學和他的兩個研究團隊經過潛心研究，20年磨一劍，把理論立異與一般用戶的需要相聯合，發明了首個由中國推進的計算技術。

別了，馮•諾依曼

　　半個多世紀以來，馮•諾依曼的名字被IT人奉為圭臬。這位美國科學家以經典的單機存儲式體系結構，奠定了古代計算機的基礎，恒久盤踞計算機主流。但是，跟著互聯網技術的高速發展和大數據時代的降臨，馮•諾依曼結構的范圍性日趨凸顯，產生了網絡安全性低、用戶使用復雜、產業鏈受制于人等一系列問題。

　　“現在的計算機體系結構是單機的，在單機上發展越多，操作系統就會愈來愈宏大和龐雜，不行防止地會呈現良多漏洞。”據張堯學介紹。進入上世紀70年月當前，隨同著局域網的發展，計算機已逐漸進入網絡計算階段，但計算機之間的互聯主如果靠協議，理論基礎并沒有大突破。

　　若何打破馮•諾依曼結構的約束，領有安全、高效的“中國”標簽的自立常識產權成果？這個問題不僅關聯到計算機技術的將來，同樣成為關系國家和社會開展的嚴重課題。

　　被張堯學稱為“福氣”的透明計算原創成果，因對馮•諾依曼結構作出的反動性改進備受國表里關注。實踐上，相關工作始于1991年。這一年，在清華大學任教的張堯學開始努力于計算機體系結構與計算模式的創新。7年后，他請求的國家“863”項目失掉成功，并開收回國內首臺網絡計算機（NPC）。

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

　　按馮•諾依曼的經典設計，數據和順序都不加差別地寄存在統一臺計算機的存儲器中，被CPU挪用履行，構成芯片層、接口層、操作系統、軟件利用和網絡層的嚴厲品級結構。不操作系統的計算機不可思議，不只計算機的處置形式是串行的，而且網絡也像“云端”一樣裸露在外層。

　　2004年，張堯學正式提出“透明計算”的思惟。其中心是將數據存儲、計算與治理相分別，并建立了跨終端、跨平臺的“雙跨”準則和“按需服務”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，張堯學團隊提出了一個勇敢的改進：將網絡互連平臺由較高的網絡層降落到芯片和操作系統之間的接口層。這一轉變不只完全翻開了被外洋廠商把持的芯片與操作系統間的“黑匣子”，因為在接口層設計了維護法式，也使下層軟件系統受攻打和保險破綻要挾的危險大大降低。

　　學術界以為，這種從計算機系統底層追求安全掩護的方式翻新地改變了計算機領域近70年的固有思惟和產物結構形式，理論上可防備一切病毒對計算機系統的襲擊，使用戶釋懷使用各種網絡效勞，周全晉升計算機安全級別。

　　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•諾依曼結構的“時空擴展”。至此，一個順應網絡時期的新體系結構初具雛形。

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

中國“超等操作系統”

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

　　早在上世紀90年代初，張堯學就留神到，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換終端和升級應用。“如果說我們有臺機械不必升級，能直接將新的應用從PC端獲得的話，不就沒需要花這筆用度了？”他如許自問。

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

　　從2009年開端，張堯學團隊將通明計算拓展至挪動互聯網。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》以長達百余頁的專輯情勢先容了這種新型收集計算操作系統，在國際業界引發震撼。

　　在中南大學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器，比一體機還要小，其容量近乎裸機。

　　工作職員向記者現場演示了大型軟件AutoCAD的使用過程。本來，所稀有據和順序的存儲都不在終端上，而是存儲于服務器上，計算機上只要一個個虛構圖標。使用時，只要進入Meta OS，即可根據需求抉擇調用Windows、Linux、IOS等不同操作系統，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同步編纂。

　　令記者不解的是，人們早已習氣的下載裝置進程仿佛在“人不知鬼不覺”中消散了。據介紹，只有網絡畸形，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，而且不用擔憂大批的流量應用，來自后盾的經心計劃展示了體制構造實踐改良后的強盛威力和誘人魅力。

　　張堯學告知記者，Meta OS位于傳統操縱系統跟底層硬件芯片之間，相稱于傳統桌面盤算機的BIOS層。不但終端內存占用量大大削減，并且可到達多檔次緩存后果，讓用戶能夠依據須要經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個要乞降平臺的限度。

　　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。這正是谷歌等互聯網巨子刻畫的“云計算”藍圖，它已被中國科學家率先提出和實現并勝利走出試驗室，應用于我國教導、通訊、醫療、冶金等行業，惹起了中國移動、阿里巴巴、騰訊、華為、遐想等企業親密存眷。

超出“替代策略”

　　源自中國的網絡計算原創成果惹起了國際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跟蹤研究并鼎力推行。在2012年的英特爾全球信息技術峰會上，現任總裁詹睿妮用了一個小時向預會者介紹張堯學和透明計算，并預言稱“此后的十年將是透明計算的十年”。如斯高調地推舉一項非英特爾原創的技術，不僅在英特爾汗青上史無前例，就是在寰球信息技術領域也極其常見。

　　只管如此，對海內內在信息技術領域的差距，張堯學仍有蘇醒的意識。“國內目前所使用的CPU基礎上都不是國內自己做的，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，目前他們的研究已控制了國外CPU的結構指令，“固然我們還不是很明白門內是什么，但最少曾經扼守住了門口。”

　　在張堯學看來，透明計算在理論和應用上的沖破對產業的意義重要在于：改變了我國操作系統開展一向采用的“替代策略”，可處理國家網絡安全和操作系統技術持久受制于人的嚴重問題，并存在可造成新的IT產業鏈、拉動其余產業進級換代的遠景與才能。

　　談到我國IT技巧的成長，張堯學深有感想。“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，我們就想做個操作系統來取代它。”在他看來，這類替換戰略在IT范疇實際上是一個十分艱難的戰略，“由于其它已有公司在用戶系統、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。”張堯學說，它“不損壞、不否決、不毀滅”原來的體系結構，但會派生出許多新的終端來，從而改變貿易模式和軟件的使用模式。

　　回想團隊的研究過程，張堯學坦言，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,清華財務管理。“從處理現實成績動身，發生了一些明白的念頭和原創的設法。”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三次取得國度做作科學基金名目贊助。長達十余年的跟蹤支撐為相干研究任務的連續發展奠基了堅固的基本。

　　“國家自然科學基金‘未幾很多’的經費支持，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，忠于幻想，潛心學識，在創造力最茂盛的年紀階段夯實研究基石。”張堯學說。不忘初心，方得一直，這或者就是“運氣”背地的答案。