孙凝晖:提高前沿研究水平是实现计算所源头定位的关键

孙凝晖
2014年1月10日

  两年多来,计算所的员工对“一个定位”开展广泛讨论,不断修正完善,目前对2011-2030年的计算所定位描述为:“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。”

  这个描述十分明确地将“学术前瞻”作为了计算所实现价值的前提条件。计算所在过去为国家安全和产业发展做出很大贡献,一个不足就是没有建立起完整的、高水平的学术前沿研究体系,在当前习总书记提出的“网络强国”战略和“四个率先”要求面前就显得“内功”不够,在做产业源头的进程中有些“发虚”。唐古拉山地区之所以成为长江、澜沧江、怒江的源头,就是因为它够高、水量够充沛。中国科学院的研究所只有做好“科学”二字的文章,才有了“安身立命”之本。计算所实现源头定位的关键是提高前沿研究水平,做好学术前瞻。

  一、什么是前沿研究 

  前沿研究(Frontier Research)与基础研究(Fundamental Research)、应用研究(Application Research)密切相关又有所区别。相对基础研究,前沿研究更强调其目标导向性,前沿研究和基础研究都承担着发现新知识、提出新技术的任务,前沿研究的特点在于其明确的导向性和交叉综合性;前沿研究和应用研究都承担着将研究成果与应用领域衔接适配的任务,前沿研究的特点是其学术前瞻性和产业引领性,所以更适合定位研究所在国家创新体系和产业价值链条中的位置,中科院将基础研究局改名为前沿教育局也是基于这个考虑。此外,企业研发(Enterprise R&D)倾向于更容易使用专利保护、更容易商业化的应用技术研究,而前沿研究侧重于开放的、面向较长期的关键技术、难点共性问题等。

  前沿研究的宗旨是解决前沿需求,这些需求包括来自促进学科发展的基础问题、来自产业的共性问题以及影响国家长远发展的战略需求。前沿需求会随着经济与社会的发展而不断推进。例如,从1945年第一台计算机ENIAC诞生到1960年代,计算机主要是满足军方需求,上世纪60年代美国军方耗资100亿美元的防范苏联核轰炸的实时系统SAGE项目就促进了大型机技术、内存技术、交互技术等发展,提升了负责研发的MIT、IBM的实力,孵化了DEC等创业公司。从1960年代开始,民用需求开始兴起,为降低用户维护成本,IBM研制了划时代的System 360,还于1961年成立了沃森实验室(Thomas J .Watson Research Center)。斯坦福大学与硅谷的崛起也得益于准确地把握了产业需求。科学技术发展史其实是人类社会发展的技术选择史,因此前沿需求的引导对前沿研究至关重要。

  二、前沿研究与产业的关系 

  2003 年,美国科学院的国家研究顾问团(National Research Council of the National Academies)对信息产业的历史发展进行了调研,形成了供美国政府决策参考的重要报告《Innovation in Information Technology》(信息产业创新)。报告强调了前沿研究对信息产业发展的作用,揭示了政府、大学、企业在前沿研究与产业发展中的重要作用与互动关系。

  这份报告以 1960 年代为时间起点,列出了19个极具代表性的超过10亿美元的重要 IT 技术的发展图谱。从中可以看到一些统计性结论:前沿研究与企业研发互动反馈周期约 3~5 年,前沿研究到第一代商业化产品大约需要5~10 年,前沿研究到 10 亿美元产业规模大约需要 10~15 年。产业在大部分情况下都是由前沿研究来驱动的,从概念阶段到最终形成产业的整个过程中,都离不开从事前沿研究的科研机构的参与与互动。

   

  三、前沿研究在计算所历史上的贡献 

  回顾计算所57年的发展历史,始终把握不同时代国家的前沿需求来开展科研工作,在具有影响力的贡献背后,离不开前沿研究的关键作用。

  新中国成立之初,国家的前沿需求就是研制计算机为国防服务,培养计算机人才。1958年研制成的我国第一台通用数字电子计算机103机还是仿制苏联计算机,夏培肃先生1960年领导研制了前沿研究性质的107计算机,对培养自行设计的人才起了重要作用。1967年计算所自行设计专为两弹一星服务的109丙机,使用时间长达15年被誉为“功勋计算机”,它是中国第一台具有分时、中断系统和管理程序的计算机。

  在1960年代,传统的计算数学方法在电子计算机上遇到很多问题,影响了自行研制的计算机能力的发挥。冯康先生带领计算所计算数学研究室针对椭圆型方程计算方法开展了系统的前沿研究工作,在1964年创立了以变分原理和剖分插值为基础的有限元方法,开发了通用的有限元程序库,解决了中国当时最大的刘家峡水坝应力分析等的计算问题,于1982年获全国自然科学二等奖,冯康先生因为独立发展了有限元方法而倍受国际关注。

  在1970年代,光靠工艺的进步已不能持续提高计算机的速度,创立了中国第一个体系结构研究小组的高庆狮院士开展了并行微结构的前沿研究工作,提出了虚共存细胞结构纵横加工向量机原理,成为计算所研制十亿次、百亿次巨型机的基础,他给出的素数存储系统的最优地址映射算法,还被计算机体系结构最权威的教科书《Computer Architecture:A Quantitative Approach》 收录。

  二十世纪80年代,国家的前沿需求从为国防建设服务转变为面向国民经济建设主战场。计算所大力推动微机技术的前沿研究,倪光南院士提出了在汉字输入中应用联想功能,研制的GF20/11A汉字微计算机系统获中国科学院1983年度重大科技成果一等奖,联想式汉字微型机LX-PC系统获得1988年度国家科技进步一等奖,为我国微机产业化的发展做出了重要贡献。

  到了1990年代,计算所1991年研制了用于石油地质勘探油田开发的KJ8920大型数据处理系统,获1993年度国家科技进步一等奖。然而,我国的高性能计算机仍以面向军事应用、定制系统为主,日益增长的民用需求只能进口国际企业的产品,关键部门从国外引进计算机的指标要受“巴统组织(针对社会主义国家的输出管制统筹委员会)”的限制,国产商品化高性能计算机市场一片空白。1990年3月国家智能计算机研究开发中心成立,在李国杰院士的领导下开辟了并行处理的前沿研究方向。1993年研制的曙光一号是我国第一台全对称多处理机,也是国内首次采用商品化微处理器芯片和Unix操作系统,1995年研制的曙光1000是我国第一台采用大规模并行处理技术(MPP)的计算机,也是国际上第一次采用蛀洞路由机制的计算机,从此开启了曙光高性能计算机的产业化之路。其中,智能中心的一个重要的布局是设立了一个专门从事前沿研究的理论组,计算所后来的智能信息处理、信息检索、网络安全、大数据处理等学术方向都是从那个时候开始并逐步成长起来。

  四、新时期计算所的前沿研究 

  在新的时期建设创新型国家、成为计算机产业强国,必须有原始性创新的前沿研究。以处理器芯片为例,满足党政军信息化的自主可控,技术只要能接近Intel CPU的水平就可以了,但要像ARM那样能在智能手机这样的新兴领域赢得市场,就需要类似于英国剑桥大学在上世纪80-90年代就开始的以低功耗为目标的长期前沿研究。在计算机系统方向,当前的主流应用负载特征从“大象搬木头”变成了“蚂蚁搬大米”,只有做好世界水平的高通量计算机等前沿研究,才足够支撑中国企业成为IT领域世界级企业的宏大目标。

   

  表一 计算机化(XaaC, X as a Computer)的历史演变与未来发展趋势

  我们有机会做颠覆性创新的前沿研究。信息技术正处于大变革的历史前夜,我们与世界站在同一起跑线上。例如,表一给出了计算机化(XaaC,X as a computer)的发展趋势,我们在科学院NICT先导专项承担的海云计算系统,就是要研究如何将计算机缩小到毫米级别,如何在云端对EB级大数据进行高速智能处理,这些都是未来三元融合世界(IT 3.0)的核心技术。

  计算所在前沿研究上的布局是围绕计算机科学的三个基本问题,即(1)Charles Babbage(1791-1871)问题——提出了自动计算的概念,实现比人算得更快的机器计算;(2)Vannevar Bush(1890-1974)Memex问题——要求可以存储海量的书籍、报纸、杂志、照片、记录等各种文献,并通过超级链接组织起来,实现存储、索引、日志、评价和摘要的集成;(3)Alan Turing(1912-1954)问题——使机器具有看、说、听以及思考的能力。以计算机体系结构国家重点实验室、科学院网络数据科学与技术重点实验室、科学院智能信息处理重点实验室为组织平台。计算所在“端网云”信息基础设施上的八项重要工作:多核处理器、E级计算机、网络大数据分析系统、云服务器、可编程虚拟路由器、超级基站、智能信息处理、普适计算设备,只有得到前沿研究成果的支撑,才能取得突破性的进展。

  集成展示平台是计算所前沿研究的特色与优势。集成展示平台作为载体衔接前沿研究和技术开发,在解决学术与技术两张皮问题中要起到关键桥梁作用。前沿研究要以集成展示平台作为抓手,以更加直观、更具显示度、更有说服力的方式来验证、集成和展示学术思想、技术路线、前沿研究成果中的“real stuff”。评价计算所一项前沿研究成果是否具有价值,不仅要看文章发表在什么刊物上、引用率如何,还要看能否在集成展示平台上验证和展示其主要创新点,以及继续转化为产业共性技术与核心技术的可能性与潜在价值。计算所创新课题部署的“爱心小屋”、“机器博士”就是要促进这方面的进展。

  五、结语 

  作为信息技术领域的科学院研究所,没有国际化高水平的前沿研究,计算所科研工作的前瞻性、引领性就无法体现。要体现出科学院研究所的独特价值,区别于作为技术创新主体的企业和国家创新体系中的其他力量,就必须以学术领先、引领产业的成果来标识自己。没有开阔的国际视野来牵引我们的研究活动,不通过高水平前沿研究的过程来不断形成学术积累、影响力和高水平的人才梯队,计算所的可持续发展就得不到保障。

  计算技术和计算所发展的历史证明,做好前沿研究必须准备把握时代的前沿需求。新时期计算所要成为产业源头,就必须把握产业的前沿需求,我们要多与企业交流,多向企业请教,多和企业合作。计算所要努力成为像斯坦福大学对美国硅谷的作用那样的世界一流研究所。

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