提高前沿研究水平是實現(xiàn)計算所源頭定位的關(guān)鍵
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(chuàng)建學(xué)術(shù)前瞻的引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)型戰(zhàn)略高技術(shù)研究所，保障國家信息安全，成為中國計算機產(chǎn)業(yè)人才與技術(shù)的源頭。在計算技術(shù)學(xué)科的計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、智能技術(shù)三個主要研究領(lǐng)域，開展以體系結(jié)構(gòu)與算法為特色的學(xué)術(shù)研究、技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)應(yīng)用與技術(shù)轉(zhuǎn)移，率先成為世界一流水平的研究所。”
這個描述十分明確地將“學(xué)術(shù)前瞻”作為了計算所實現(xiàn)價值的前提條件。計算所在過去為國家安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)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(xué)術(shù)前沿研究體系，在當前習(xí)總書記提出的“網(wǎng)絡(luò)強國”戰(zhàn)略和“四個率先”要求面前就顯得“內(nèi)功”不夠，在做產(chǎn)業(yè)源頭的進程中有些“發(fā)虛”。唐古拉山地區(qū)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(xué)院的研究所只有做好“科學(xué)”二字的文章，才有了“安身立命”之本。計算所實現(xiàn)源頭定位的關(guān)鍵是提高前沿研究水平，做好學(xué)術(shù)前瞻。
一、什么是前沿研究
前沿研究(Frontier Research)與基礎(chǔ)研究(Fundamental Research)、應(yīng)用研究(Application Research)密切相關(guān)又有所區(qū)別。相對基礎(chǔ)研究，前沿研究更強調(diào)其目標導(dǎo)向性，前沿研究和基礎(chǔ)研究都承擔著發(fā)現(xiàn)新知識、提出新技術(shù)的任務(wù)，前沿研究的特點在于其明確的導(dǎo)向性和交叉綜合性；前沿研究和應(yīng)用研究都承擔著將研究成果與應(yīng)用領(lǐng)域銜接適配的任務(wù)，前沿研究的特點是其學(xué)術(shù)前瞻性和產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)性，所以更適合定位研究所在國家創(chuàng)新體系和產(chǎn)業(yè)價值鏈條中的位置，中科院將基礎(chǔ)研究局改名為前沿教育局也是基于這個考慮。此外，企業(yè)研發(fā)（Enterprise R&D）傾向于更容易使用專利保護、更容易商業(yè)化的應(yīng)用技術(shù)研究，而前沿研究側(cè)重于開放的、面向較長期的關(guān)鍵技術(shù)、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(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)問題、來自產(chǎn)業(yè)的共性問題以及影響國家長遠發(fā)展的戰(zhàn)略需求。前沿需求會隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)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(lián)核轟炸的實時系統(tǒng)SAGE項目就促進了大型機技術(shù)、內(nèi)存技術(shù)、交互技術(shù)等發(fā)展，提升了負責研發(fā)的MIT、IBM的實力，孵化了DEC等創(chuàng)業(yè)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(xué)與硅谷的崛起也得益于準確地把握了產(chǎn)業(yè)需求?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展史其實是人類社會發(fā)展的技術(shù)選擇史，因此前沿需求的引導(dǎo)對前沿研究至關(guān)重要。
二、前沿研究與產(chǎn)業(yè)的關(guān)系
2003 年，美國科學(xué)院的國家研究顧問團（National Research Council of the National Academies）對信息產(chǎn)業(yè)的歷史發(fā)展進行了調(diào)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(chǎn)業(yè)創(chuàng)新）。報告強調(diào)了前沿研究對信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用，揭示了政府、大學(xué)、企業(yè)在前沿研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要作用與互動關(guān)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(shù)的發(fā)展圖譜。從中可以看到一些統(tǒng)計性結(jié)論：前沿研究與企業(yè)研發(fā)互動反饋周期約 3~5 年，前沿研究到第一代商業(yè)化產(chǎn)品大約需要5~10 年，前沿研究到 10 億美元產(chǎn)業(yè)規(guī)模大約需要 10~15 年。產(chǎn)業(yè)在大部分情況下都是由前沿研究來驅(qū)動的，從概念階段到最終形成產(chǎn)業(yè)的整個過程中，都離不開從事前沿研究的科研機構(gòu)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(fā)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(guān)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(wù)，培養(yǎng)計算機人才。1958年研制成的我國第一臺通用數(shù)字電子計算機103機還是仿制蘇聯(lián)計算機，夏培肅先生1960年領(lǐng)導(dǎo)研制了前沿研究性質(zhì)的107計算機，對培養(yǎng)自行設(shè)計的人才起了重要作用。1967年計算所自行設(shè)計專為兩彈一星服務(wù)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(tǒng)和管理程序的計算機。
在1960年代，傳統(tǒng)的計算數(shù)學(xué)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(fā)揮。馮康先生帶領(lǐng)計算所計算數(shù)學(xué)研究室針對橢圓型方程計算方法開展了系統(tǒng)的前沿研究工作，在1964年創(chuàng)立了以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ)的有限元方法，開發(fā)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(yīng)力分析等的計算問題，于1982年獲全國自然科學(xué)二等獎，馮康先生因為獨立發(fā)展了有限元方法而倍受國際關(guān)注。
在1970年代，光靠工藝的進步已不能持續(xù)提高計算機的速度，創(chuàng)立了中國第一個體系結(jié)構(gòu)研究小組的高慶獅院士開展了并行微結(jié)構(gòu)的前沿研究工作，提出了虛共存細胞結(jié)構(gòu)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(chǔ)，他給出的素數(shù)存儲系統(tǒng)的最優(yōu)地址映射算法，還被計算機體系結(jié)構(gòu)最權(quán)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(shè)服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驀窠?jīng)濟建設(shè)主戰(zhàn)場。計算所大力推動微機技術(shù)的前沿研究，倪光南院士提出了在漢字輸入中應(yīng)用聯(lián)想功能，研制的GF20/11A漢字微計算機系統(tǒng)獲中國科學(xué)院1983年度重大科技成果一等獎，聯(lián)想式漢字微型機LX－PC系統(tǒng)獲得1988年度國家科技進步一等獎，為我國微機產(chǎn)業(yè)化的發(fā)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(zhì)勘探油田開發(fā)的KJ8920大型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，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(yīng)用、定制系統(tǒng)為主，日益增長的民用需求只能進口國際企業(yè)的產(chǎn)品，關(guān)鍵部門從國外引進計算機的指標要受“巴統(tǒng)組織（針對社會主義國家的輸出管制統(tǒng)籌委員會）”的限制，國產(chǎn)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(fā)中心成立，在李國杰院士的領(lǐng)導(dǎo)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(nèi)首次采用商品化微處理器芯片和Unix操作系統(tǒng)，1995年研制的曙光1000是我國第一臺采用大規(guī)模并行處理技術(shù)（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(chǎn)業(yè)化之路。其中，智能中心的一個重要的布局是設(shè)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(wǎng)絡(luò)安全、大數(shù)據(jù)處理等學(xué)術(shù)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(shè)創(chuàng)新型國家、成為計算機產(chǎn)業(yè)強國，必須有原始性創(chuàng)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創(chuàng)新，技術(shù)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(lǐng)域贏得市場，就需要類似于英國劍橋大學(xué)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(tǒng)方向，當前的主流應(yīng)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(yè)成為IT領(lǐng)域世界級企業(yè)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(fā)展趨勢
我們有機會做顛覆性創(chuàng)新的前沿研究。信息技術(shù)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(fā)展趨勢，我們在科學(xué)院NICT先導(dǎo)專項承擔的海云計算系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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(shù)。
計算所在前沿研究上的布局是圍繞計算機科學(xué)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)國家重點實驗室、科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室、科學(xué)院智能信息處理重點實驗室為組織平臺。計算所在“端網(wǎng)云”信息基礎(chǔ)設(shè)施上的八項重要工作：多核處理器、E級計算機、網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、云服務(wù)器、可編程虛擬路由器、超級基站、智能信息處理、普適計算設(shè)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(yōu)勢。集成展示平臺作為載體銜接前沿研究和技術(shù)開發(fā)，在解決學(xué)術(shù)與技術(shù)兩張皮問題中要起到關(guān)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(xué)術(shù)思想、技術(shù)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(fā)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(chuàng)新點，以及繼續(xù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)與核心技術(shù)的可能性與潛在價值。計算所創(chuàng)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(jié)語
作為信息技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)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(lǐng)性就無法體現(xiàn)。要體現(xiàn)出科學(xué)院研究所的獨特價值，區(qū)別于作為技術(shù)創(chuàng)新主體的企業(yè)和國家創(chuàng)新體系中的其他力量，就必須以學(xué)術(shù)領(lǐng)先、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)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(xué)術(shù)積累、影響力和高水平的人才梯隊，計算所的可持續(xù)發(fā)展就得不到保障。
計算技術(shù)和計算所發(fā)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(chǎn)業(yè)源頭，就必須把握產(chǎn)業(yè)的前沿需求，我們要多與企業(yè)交流，多向企業(yè)請教，多和企業(yè)合作。計算所要努力成為像斯坦福大學(xué)對美國硅谷的作用那樣的世界一流研究所。