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提高前沿研究水平是實現計算所源頭定位的關鍵
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孫凝暉
2014年1月10日

  兩年多來,計算所的員工對“一個定位”開展廣泛討論,不斷修正完善,目前對2011-2030年的計算所定位描述為:“創建學術前瞻的引領產業型戰略高技術研究所,保障國家信息安全,成為中國計算機產業人才與技術的源頭。在計算技術學科的計算機系統、網絡、智能技術三個主要研究領域,開展以體系結構與算法為特色的學術研究、技術創新、技術應用與技術轉移,率先成為世界一流水平的研究所?!?/p>

  這個描述十分明確地將“學術前瞻”作為了計算所實現價值的前提條件。計算所在過去為國家安全和產業發展做出很大貢獻,一個不足就是沒有建立起完整的、高水平的學術前沿研究體系,在當前習總書記提出的“網絡強國”戰略和“四個率先”要求面前就顯得“內功”不夠,在做產業源頭的進程中有些“發虛”。唐古拉山地區之所以成為長江、瀾滄江、怒江的源頭,就是因為它夠高、水量夠充沛。中國科學院的研究所只有做好“科學”二字的文章,才有了“安身立命”之本。計算所實現源頭定位的關鍵是提高前沿研究水平,做好學術前瞻。

  一、什么是前沿研究 

  前沿研究(Frontier Research)與基礎研究(Fundamental Research)、應用研究(Application Research)密切相關又有所區別。相對基礎研究,前沿研究更強調其目標導向性,前沿研究和基礎研究都承擔著發現新知識、提出新技術的任務,前沿研究的特點在于其明確的導向性和交叉綜合性;前沿研究和應用研究都承擔著將研究成果與應用領域銜接適配的任務,前沿研究的特點是其學術前瞻性和產業引領性,所以更適合定位研究所在國家創新體系和產業價值鏈條中的位置,中科院將基礎研究局改名為前沿教育局也是基于這個考慮。此外,企業研發(Enterprise R&D)傾向于更容易使用專利保護、更容易商業化的應用技術研究,而前沿研究側重于開放的、面向較長期的關鍵技術、難點共性問題等。

  前沿研究的宗旨是解決前沿需求,這些需求包括來自促進學科發展的基礎問題、來自產業的共性問題以及影響國家長遠發展的戰略需求。前沿需求會隨著經濟與社會的發展而不斷推進。例如,從1945年第一臺計算機ENIAC誕生到1960年代,計算機主要是滿足軍方需求,上世紀60年代美國軍方耗資100億美元的防范蘇聯核轟炸的實時系統SAGE項目就促進了大型機技術、內存技術、交互技術等發展,提升了負責研發的MIT、IBM的實力,孵化了DEC等創業公司。從1960年代開始,民用需求開始興起,為降低用戶維護成本,IBM研制了劃時代的System 360,還于1961年成立了沃森實驗室(Thomas J .Watson Research Center)。斯坦福大學與硅谷的崛起也得益于準確地把握了產業需求??茖W技術發展史其實是人類社會發展的技術選擇史,因此前沿需求的引導對前沿研究至關重要。

  二、前沿研究與產業的關系 

  2003 年,美國科學院的國家研究顧問團(National Research Council of the National Academies)對信息產業的歷史發展進行了調研,形成了供美國政府決策參考的重要報告《Innovation in Information Technology》(信息產業創新)。報告強調了前沿研究對信息產業發展的作用,揭示了政府、大學、企業在前沿研究與產業發展中的重要作用與互動關系。

  這份報告以 1960 年代為時間起點,列出了19個極具代表性的超過10億美元的重要 IT 技術的發展圖譜。從中可以看到一些統計性結論:前沿研究與企業研發互動反饋周期約 3~5 年,前沿研究到第一代商業化產品大約需要5~10 年,前沿研究到 10 億美元產業規模大約需要 10~15 年。產業在大部分情況下都是由前沿研究來驅動的,從概念階段到最終形成產業的整個過程中,都離不開從事前沿研究的科研機構的參與與互動。

   

  三、前沿研究在計算所歷史上的貢獻 

  回顧計算所57年的發展歷史,始終把握不同時代國家的前沿需求來開展科研工作,在具有影響力的貢獻背后,離不開前沿研究的關鍵作用。

  新中國成立之初,國家的前沿需求就是研制計算機為國防服務,培養計算機人才。1958年研制成的我國第一臺通用數字電子計算機103機還是仿制蘇聯計算機,夏培肅先生1960年領導研制了前沿研究性質的107計算機,對培養自行設計的人才起了重要作用。1967年計算所自行設計專為兩彈一星服務的109丙機,使用時間長達15年被譽為“功勛計算機”,它是中國第一臺具有分時、中斷系統和管理程序的計算機。

  在1960年代,傳統的計算數學方法在電子計算機上遇到很多問題,影響了自行研制的計算機能力的發揮。馮康先生帶領計算所計算數學研究室針對橢圓型方程計算方法開展了系統的前沿研究工作,在1964年創立了以變分原理和剖分插值為基礎的有限元方法,開發了通用的有限元程序庫,解決了中國當時最大的劉家峽水壩應力分析等的計算問題,于1982年獲全國自然科學二等獎,馮康先生因為獨立發展了有限元方法而倍受國際關注。

  在1970年代,光靠工藝的進步已不能持續提高計算機的速度,創立了中國第一個體系結構研究小組的高慶獅院士開展了并行微結構的前沿研究工作,提出了虛共存細胞結構縱橫加工向量機原理,成為計算所研制十億次、百億次巨型機的基礎,他給出的素數存儲系統的最優地址映射算法,還被計算機體系結構最權威的教科書《Computer Architecture:A Quantitative Approach》 收錄。

  二十世紀80年代,國家的前沿需求從為國防建設服務轉變為面向國民經濟建設主戰場。計算所大力推動微機技術的前沿研究,倪光南院士提出了在漢字輸入中應用聯想功能,研制的GF20/11A漢字微計算機系統獲中國科學院1983年度重大科技成果一等獎,聯想式漢字微型機LX-PC系統獲得1988年度國家科技進步一等獎,為我國微機產業化的發展做出了重要貢獻。

  到了1990年代,計算所1991年研制了用于石油地質勘探油田開發的KJ8920大型數據處理系統,獲1993年度國家科技進步一等獎。然而,我國的高性能計算機仍以面向軍事應用、定制系統為主,日益增長的民用需求只能進口國際企業的產品,關鍵部門從國外引進計算機的指標要受“巴統組織(針對社會主義國家的輸出管制統籌委員會)”的限制,國產商品化高性能計算機市場一片空白。1990年3月國家智能計算機研究開發中心成立,在李國杰院士的領導下開辟了并行處理的前沿研究方向。1993年研制的曙光一號是我國第一臺全對稱多處理機,也是國內首次采用商品化微處理器芯片和Unix操作系統,1995年研制的曙光1000是我國第一臺采用大規模并行處理技術(MPP)的計算機,也是國際上第一次采用蛀洞路由機制的計算機,從此開啟了曙光高性能計算機的產業化之路。其中,智能中心的一個重要的布局是設立了一個專門從事前沿研究的理論組,計算所后來的智能信息處理、信息檢索、網絡安全、大數據處理等學術方向都是從那個時候開始并逐步成長起來。

  四、新時期計算所的前沿研究 

  在新的時期建設創新型國家、成為計算機產業強國,必須有原始性創新的前沿研究。以處理器芯片為例,滿足黨政軍信息化的自主可控,技術只要能接近Intel CPU的水平就可以了,但要像ARM那樣能在智能手機這樣的新興領域贏得市場,就需要類似于英國劍橋大學在上世紀80-90年代就開始的以低功耗為目標的長期前沿研究。在計算機系統方向,當前的主流應用負載特征從“大象搬木頭”變成了“螞蟻搬大米”,只有做好世界水平的高通量計算機等前沿研究,才足夠支撐中國企業成為IT領域世界級企業的宏大目標。

   

  表一 計算機化(XaaC, X as a Computer)的歷史演變與未來發展趨勢

  我們有機會做顛覆性創新的前沿研究。信息技術正處于大變革的歷史前夜,我們與世界站在同一起跑線上。例如,表一給出了計算機化(XaaC,X as a computer)的發展趨勢,我們在科學院NICT先導專項承擔的海云計算系統,就是要研究如何將計算機縮小到毫米級別,如何在云端對EB級大數據進行高速智能處理,這些都是未來三元融合世界(IT 3.0)的核心技術。

  計算所在前沿研究上的布局是圍繞計算機科學的三個基本問題,即(1)Charles Babbage(1791-1871)問題——提出了自動計算的概念,實現比人算得更快的機器計算;(2)Vannevar Bush(1890-1974)Memex問題——要求可以存儲海量的書籍、報紙、雜志、照片、記錄等各種文獻,并通過超級鏈接組織起來,實現存儲、索引、日志、評價和摘要的集成;(3)Alan Turing(1912-1954)問題——使機器具有看、說、聽以及思考的能力。以計算機體系結構國家重點實驗室、科學院網絡數據科學與技術重點實驗室、科學院智能信息處理重點實驗室為組織平臺。計算所在“端網云”信息基礎設施上的八項重要工作:多核處理器、E級計算機、網絡大數據分析系統、云服務器、可編程虛擬路由器、超級基站、智能信息處理、普適計算設備,只有得到前沿研究成果的支撐,才能取得突破性的進展。

  集成展示平臺是計算所前沿研究的特色與優勢。集成展示平臺作為載體銜接前沿研究和技術開發,在解決學術與技術兩張皮問題中要起到關鍵橋梁作用。前沿研究要以集成展示平臺作為抓手,以更加直觀、更具顯示度、更有說服力的方式來驗證、集成和展示學術思想、技術路線、前沿研究成果中的“real stuff”。評價計算所一項前沿研究成果是否具有價值,不僅要看文章發表在什么刊物上、引用率如何,還要看能否在集成展示平臺上驗證和展示其主要創新點,以及繼續轉化為產業共性技術與核心技術的可能性與潛在價值。計算所創新課題部署的“愛心小屋”、“機器博士”就是要促進這方面的進展。

  五、結語 

  作為信息技術領域的科學院研究所,沒有國際化高水平的前沿研究,計算所科研工作的前瞻性、引領性就無法體現。要體現出科學院研究所的獨特價值,區別于作為技術創新主體的企業和國家創新體系中的其他力量,就必須以學術領先、引領產業的成果來標識自己。沒有開闊的國際視野來牽引我們的研究活動,不通過高水平前沿研究的過程來不斷形成學術積累、影響力和高水平的人才梯隊,計算所的可持續發展就得不到保障。

  計算技術和計算所發展的歷史證明,做好前沿研究必須準備把握時代的前沿需求。新時期計算所要成為產業源頭,就必須把握產業的前沿需求,我們要多與企業交流,多向企業請教,多和企業合作。計算所要努力成為像斯坦福大學對美國硅谷的作用那樣的世界一流研究所。

 
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