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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年的計算所定位描述为:“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、技术应用与技術轉移,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。中國科學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、什麽是前沿研究 

  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、前沿研究與産業的關系 

  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、前沿研究在計算所曆史上的貢獻 

  回顧計算所57年的發展曆史,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後,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爲國防服務,培養計算機人才。1958年研制成的我國第一台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爲兩彈一星服務的109丙機,使用時間長達15年被譽爲“功勳計算機”,它是中國第一台具有分時、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爲基礎的有限元方法,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,馮康先生因爲獨立發展了有限元方法而倍受國際關注。

  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國科學院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,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、定制系統爲主,日益增長的民用需求只能進口國際企業的産品,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,國産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,在李國傑院士的領導下開辟了並行處理的前沿研究方向。1993年研制的曙光一號是我國第一台全對稱多處理機,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是我國第一台采用大規模並行處理技術(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,從此開啓了曙光高性能計算機的産業化之路。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,計算所後來的智能信息處理、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並逐步成長起來。

  四、新時期計算所的前沿研究 

  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、結語 

  作爲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,區別于作爲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、引領産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曆史證明,做好前沿研究必須准備把握時代的前沿需求。新時期計算所要成爲産業源頭,就必須把握産業的前沿需求,我們要多與企業交流,多向企業請教,多和企業合作。計算所要努力成爲像斯坦福大學對美國矽谷的作用那樣的世界一流研究所。

 
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