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　　本文從計(jì)算機(jī)本質(zhì)特征出發(fā)，試圖采用問答方式，將有關(guān)網(wǎng)格技術(shù)、虛擬化技術(shù)、低成本計(jì)算的五個問題明晰化，并指出低成本計(jì)算提供了豐富的創(chuàng)新機(jī)會。

　　問題1：計(jì)算機(jī)學(xué)科的本質(zhì)特征是什么?

　　計(jì)算機(jī)學(xué)科整體上講是一門工程學(xué)科，具有工程學(xué)科的共性本質(zhì)：在限制條件下求最優(yōu)解(國際上的表述有三個關(guān)鍵詞：“problem solving”“constraints”、“optimal”)。因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)這門學(xué)科的本質(zhì)特征可表述為：在限制條件下設(shè)計(jì)優(yōu)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用。

　　在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，這種特征尤其明顯。比如，歸納并選擇正確的限制一直是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。有些學(xué)者甚至說，一類體系結(jié)構(gòu)就是一組精確定義的限制。

　　這是計(jì)算機(jī)學(xué)科的主線，也是我們培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重點(diǎn)。比如，要培養(yǎng)研究生同學(xué)的創(chuàng)新能力，重點(diǎn)應(yīng)該是：1. 歸納和抽象限制條件的能力，2. 解決問題的能力，3. 優(yōu)化解題方法的能力。目前一些同學(xué)的學(xué)位論文初稿中，比較普遍地存在這三個方面的問題。文稿往往寫得像一篇工作報(bào)告，花了大量篇幅講自己的工作過程，反而沒有清楚地陳述論文解決了什么樣的科學(xué)問題和技術(shù)問題，結(jié)果如何，評價效果如何。對限制條件往往缺乏明晰的界定，從而模糊了研究問題以及論文結(jié)論的適用范圍。另一個弱點(diǎn)是解題方法缺乏優(yōu)化的“道道”、“訣竅”，比較隨意(ad hoc)，難以突出論文的創(chuàng)新點(diǎn)。

　　問題2：低成本計(jì)算是不是低科技?

　　在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用的限制條件中，一般而言，成本都是一個重要的限制。近年來，在探索中國特色信息化的過程中，中科院計(jì)算所和國內(nèi)同行提出了低成本計(jì)算(或低成本信息化)的思路�？萍疾�863計(jì)劃在2006年已經(jīng)立項(xiàng)支持低成本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制工作。計(jì)算所提出的“八億龍網(wǎng)”設(shè)想，其目標(biāo)是在2020年以前，讓八億用戶能夠直接使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用，使信息技術(shù)惠及社會大眾。

　　但是，一些同行和專家提出了一些疑問：低成本是否沒有多大科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)?是否應(yīng)該由企業(yè)去做?摩爾定律是否會自動地降低成本?

　　事實(shí)上，降低成本一直是計(jì)算機(jī)創(chuàng)新的一條主要思路。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，引發(fā)產(chǎn)業(yè)換代的幾個重要創(chuàng)新，如IBM 360、個人計(jì)算機(jī)(PC)、RISC技術(shù)、RAID技術(shù)，降低成本是重要的目標(biāo)和限制條件。

　　今天，盤陣的全球市場已達(dá)百億美元。盤陣的創(chuàng)新技術(shù)是RAID，即“低成本磁盤冗余陣列”，其核心思想就是揚(yáng)棄昂貴的單一大硬盤技術(shù)。

　　計(jì)算機(jī)成本高的一個重要原因是復(fù)雜性高。降低CPU的復(fù)雜性，尤其是指令系統(tǒng)的龐雜性，就是RISC體系結(jié)構(gòu)的基本思想。這一波的創(chuàng)新歸納了幾個重要的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，如單拍運(yùn)算指令、存取指令結(jié)構(gòu)、哈佛結(jié)構(gòu)等，從而用簡約化的指令集和指令流水線就能使CPI逼近1，即最優(yōu)的性能。

　　封閉式結(jié)構(gòu)、緊耦合加上短期市場利益驅(qū)動的增量式創(chuàng)新，往往導(dǎo)致人為的異構(gòu)性，這使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能重用部件和應(yīng)用，不能方便地利用技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用進(jìn)步，是復(fù)雜性的一個主要原因。60年代的IBM 360/370系統(tǒng)，采用了“計(jì)算機(jī)家族”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”、“動態(tài)尋址”、“虛擬化”幾大發(fā)明，大大降低了低水平重復(fù)的工作量，從而降低了大型機(jī)的開發(fā)成本與使用成本。這項(xiàng)工作是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)新史上的一個里程碑。

　　歷史上低成本計(jì)算的最明顯的里程碑大概是個人計(jì)算機(jī)(PC，也稱為微機(jī))的發(fā)明。我們今天使用的微機(jī)中的核心技術(shù)，如交互式計(jì)算、圖形界面、以太網(wǎng)、鼠標(biāo)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(Smalltalk)等，在1972年的Alto微機(jī)中就已經(jīng)出現(xiàn)了。可惜的是，由于種種原因，Alto微機(jī)技術(shù)未能立即流行，微機(jī)發(fā)展的軌跡反而是牛郎星、蘋果機(jī)和IBM PC。這當(dāng)中的歷史經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得我們仔細(xì)分析。

　　今天，我們正在創(chuàng)造面向2006-2020年市場的低成本計(jì)算系統(tǒng)。我們的思想不應(yīng)局限于尼葛萊龐帝的“100美元計(jì)算機(jī)”概念及其組合低成本部件的思路，我們尤其需要直面技術(shù)挑戰(zhàn)，探索RISC、RAID、IBM 360、PC這樣的顛覆性發(fā)明，用創(chuàng)新技術(shù)降低成本。

　　未來的低成本系統(tǒng)并不必然是現(xiàn)有系統(tǒng)的一個簡化版、廉價版。它們在一些方面(如支持新型使用模式)，甚至?xí)䞍?yōu)于今天的“高成本”系統(tǒng)。比如，Alto微機(jī)在支持交互式計(jì)算、圖形界面方面就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)時的大型機(jī)。

　　問題3：低成本計(jì)算的挑戰(zhàn)和機(jī)遇是什么?

　　問題2當(dāng)中提到的，面向2006-2020市場的技術(shù)挑戰(zhàn)和創(chuàng)新機(jī)會是什么呢?

　　最大的挑戰(zhàn)可能是我們對成本的研究很不夠，遠(yuǎn)不如針對性能的研究。我們對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用的成本定義和構(gòu)成、成本涉及什么限制條件，以及優(yōu)化成本的原理和方法都還所知甚少。比如，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本的定義已有出廠成本、購買價格、總擁有成本等，但這些指標(biāo)并不全面，往往是商業(yè)性的指標(biāo)，而非技術(shù)、科學(xué)的度量。我們也缺乏研究成本的實(shí)驗(yàn)手段，還沒有形成系統(tǒng)的測試成本的基準(zhǔn)集和度量。

　　因此，從學(xué)術(shù)上講，一個重要的創(chuàng)新機(jī)會就是研究并歸納出有關(guān)成本的度量、基準(zhǔn)、原理。在成本方面，我們還沒有CPI、flop/s這樣的度量，也沒有SPEC、TPC、Linpack、HPC Challenge這樣的基準(zhǔn)測試程序。在提高性能的創(chuàng)新研究中，我們歸納并使用了局部性原理和并行性原理。在優(yōu)化成本的過程中，除了摩爾定律，我們還能利用別的原理嗎?就拿局部性原理來說，過去我們關(guān)注兩種局部性，即數(shù)據(jù)/指令/地址的時間局部性和空間局部性。優(yōu)化成本的目標(biāo)需要新的局部性原理嗎?

　　另一個挑戰(zhàn)與機(jī)會就是研究部件成本與系統(tǒng)成本的關(guān)系。計(jì)算機(jī)的很多硬件部件的發(fā)展遵循摩爾定律，但軟件和服務(wù)則不然。如何利用摩爾定律帶來的部件進(jìn)步，設(shè)計(jì)低成本的系統(tǒng)(以及應(yīng)用和服務(wù))?這不是一個簡單的問題，需要洞察未來，living in the future，同時又要務(wù)實(shí)。1972年，當(dāng)Xerox PARC創(chuàng)造Alto微機(jī)的時候，研究人員為了有效地支持交互計(jì)算和圖形界面，發(fā)明了frame buffer技術(shù)。盡管這樣做意味著將當(dāng)時最貴的資源——內(nèi)存——的90%用于顯示，但Alto的設(shè)計(jì)者有兩個判斷：1. 摩爾定律將使未來的內(nèi)存資源非常豐富，2. 顯示是瓶頸。第一臺Alto微機(jī)的成本大約是7.5-10萬美元。今天的微機(jī)300美元就能買到。

　　今后20年，什么是低成本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用的瓶頸?什么是它們所需要的frame buffer技術(shù)?這些都是挑戰(zhàn)和機(jī)會。

　　我個人認(rèn)為，低成本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用的最大瓶頸是緊耦合(fitting)，尤其是分布式系統(tǒng)中的緊耦合。

　　問題4：古老的虛擬化技術(shù)為什么又熱起來了?它與低成本計(jì)算有什么關(guān)系?

　　虛擬化是1960-1970年代發(fā)明的重要技術(shù)。最近幾年來，虛擬化技術(shù)研究又變得非�；钴S，從網(wǎng)絡(luò)虛擬化(如GENI)、計(jì)算機(jī)硬件虛擬化(如XEN)、語言虛擬機(jī)(如Java Virtual Machine)到分布式系統(tǒng)虛擬化(如網(wǎng)格技術(shù)、PlanetLab)。

　　第一波虛擬化技術(shù)的主要目標(biāo)是為了有效地共享資源。這一波的虛擬化技術(shù)的主要目標(biāo)則是擺脫緊耦合。產(chǎn)品是多個部件構(gòu)成的系統(tǒng)。在早期的作坊式生產(chǎn)中，人們往往采用一種稱為“緊耦合”(fitting)的方式構(gòu)造部件。比如，在生產(chǎn)螺絲和螺母的過程中，人們往往首先制造出螺母，再對著螺母制造出剛好配得上的螺絲。

　　在更加先進(jìn)的社會化大生產(chǎn)過程中，這種方式被標(biāo)準(zhǔn)零部件方式取代了。人們制定出螺絲和螺母的開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及相關(guān)的允許誤差范圍。這樣一來，多個廠商可以按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并行地、獨(dú)立地制造螺絲和螺母，擺脫了螺絲廠商和螺母廠商的相互依賴。各個廠商可以在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)獨(dú)立地創(chuàng)新，從而鼓勵競爭，打破了壟斷，提高了生產(chǎn)效率和創(chuàng)新效率。

　　1926年，福特汽車公司的創(chuàng)始人亨利福特(Henry Ford)將這種特征總結(jié)為一句流傳至今的名言：“社會化大生產(chǎn)中不存在緊耦合”(There is no fitting in mass production)。

　　21世紀(jì)初的信息產(chǎn)業(yè)還沒有達(dá)到1920年代汽車行業(yè)的這種松耦合狀態(tài)。我們在開發(fā)一個硬件部件、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序時，往往必須考慮要與操作系統(tǒng)、處理器、以及別的應(yīng)用程序耦合。

　　問題5：網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)展如何?網(wǎng)格與低成本計(jì)算有什么關(guān)系?

　　盡管批評不斷，最近幾年來，網(wǎng)格技術(shù)取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。第一是企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)性網(wǎng)格應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，尤其是在金融行業(yè)。這類應(yīng)用往往被企業(yè)看成是核心競爭力的一部分，很少披露。印度的Infosys公司，近兩年組建了40多人的網(wǎng)格研究隊(duì)伍，且仍在快速增長。

　　第二是美、日、歐政府已經(jīng)將網(wǎng)格看成是提高國家創(chuàng)新能力的本質(zhì)的下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，在2006-2010年期間繼續(xù)投入大量科研經(jīng)費(fèi)(美國6億美元、歐盟約6.5億歐元、日本約十億美元[含高性能計(jì)算機(jī)研制])。

　　第三是網(wǎng)格與服務(wù)計(jì)算相融合，盡管帶來了一些混亂和爭議，但進(jìn)展比較順利。

　　第四是網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)擺脫了中間件的定勢，與應(yīng)用和系統(tǒng)的交融加深。比如，各大計(jì)算機(jī)廠商提出了各自的面向網(wǎng)格的服務(wù)器技術(shù)，其中服務(wù)器虛擬化以及功用計(jì)算(utility computing)尤為突出。歐盟啟動了XtreemOS項(xiàng)目，研究開發(fā)一個Linux層面的網(wǎng)格操作系統(tǒng)(2006-2009，總經(jīng)費(fèi)為1400萬歐元)。中科院計(jì)算所加入了由法國INRIA牽頭的國際團(tuán)隊(duì)承擔(dān)該項(xiàng)目。一些應(yīng)用軟件廠商，從Maple到SAP，都在將自己的應(yīng)用軟件往網(wǎng)格平臺上移植。

　　在兩個方面，網(wǎng)格界進(jìn)展比較遲緩。一是網(wǎng)格技術(shù)本身的科學(xué)研究進(jìn)展不大，尤其是與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、Web science相比更是如此。國外科學(xué)家批評，過去幾年的網(wǎng)格研究開發(fā)太重眼前利益、太重工程開發(fā)，少研究，更少突破。另一類批評則是普及太慢。當(dāng)前，國外網(wǎng)格研究的用戶群主要是科學(xué)家，缺少Web 2.0的面向社會大眾的活力。

　　21世紀(jì)初新興的虛擬化技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)試圖消除問題4論及的緊耦合和依賴，降低成本。網(wǎng)格技術(shù)集中于在分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)松耦合，同時要保持高性能、高效率、安全性。

　　結(jié) 論

　　由于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)從公眾認(rèn)識到全民普及的歷史性市場轉(zhuǎn)折，惠及大眾的低成本計(jì)算是21世紀(jì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個主要研究方向。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用的成本瓶頸是緊耦合，虛擬化和網(wǎng)格試圖消除緊耦合和依賴，是實(shí)現(xiàn)低成本計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)。計(jì)算機(jī)歷史上的幾個顛覆性創(chuàng)新，如RISC、RAID、IBM 360、PC，都大大降低了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的成本。計(jì)算所倡導(dǎo)的低成本計(jì)算，最需要研究的就是這樣的顛覆性技術(shù)，用創(chuàng)新降低成本。與歷史上低成本計(jì)算的工作相比，21世紀(jì)的低成本計(jì)算在研究問題、限制條件、優(yōu)化原理等方面都為計(jì)算機(jī)這門工程學(xué)科提供了豐富的創(chuàng)新機(jī)會。


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