新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的思考
（孫凝暉 2020年5月14日）
信息高鐵的廣義定義是指面向IT 3.0信息基礎(chǔ)設(shè)施的一個技術(shù)體系，它的狹義定義是指IT 3.0信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的一個綜合試驗場。
1、信息高鐵技術(shù)體系的核心構(gòu)成
下圖是信息高鐵技術(shù)體系的核心構(gòu)成圖。信息高鐵是由云、網(wǎng)、端三層的新型設(shè)備和一個控制中樞組成。
信息高鐵的核心構(gòu)成圖
控制中樞是我們最近新提出的，信息高鐵跟以前的信息高速公路最主要的區(qū)別之一就是要有一個全局測調(diào)系統(tǒng)。從技術(shù)哲學(xué)層面看，互聯(lián)網(wǎng)是一個“純民主”的結(jié)構(gòu)，早期的電信網(wǎng)是一個“純集中”的結(jié)構(gòu)，有集中管控。信息高鐵是一個“民主集中制”的結(jié)構(gòu)，組成單元是民主的，不需要審批就可以建一個信息高鐵站，也就是一個數(shù)據(jù)中心，獨立提供服務(wù)；但是也有集中的部分，需要有全局測調(diào)和在重載、安全事件突發(fā)等情況下一定程度的控制。為了支撐這個控制中樞，在網(wǎng)絡(luò)里、在基站里、在服務(wù)器里、在系統(tǒng)軟件里，甚至在微體系結(jié)構(gòu)里，都需要提供一些測量、控制與調(diào)度上的支持。
下面介紹一下狹義的綜合試驗場。軍事領(lǐng)域的裝備創(chuàng)新需要一個裝備試驗場，集團化的協(xié)同作戰(zhàn)需要建一個朱日和綜合試驗場，進行規(guī)模化的中試。在IT領(lǐng)域，美國的ARPANet、PlanetLab都是新技術(shù)體系的綜合試驗場，中國要在技術(shù)體系層面有更多原創(chuàng)的工作，必須有一個自己的信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)綜合試驗場。
所以從去年開始，計算所和南京談合作，支持我所在麒麟?yún)^(qū)建一個綜合試驗場。這個綜合試驗場包括一個內(nèi)場和一個外場。內(nèi)場包括三個中心，其一是試驗中心，就是把外場縮小了放到內(nèi)場里邊進行仿真模擬，包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)這兩個新的接入網(wǎng)絡(luò)；其二是面向管理的全局測調(diào)中心，其三是面向用戶的全局運營中心。計算所與其創(chuàng)辦的曙光、寒武紀、睿芯、天璣等企業(yè)以及計算所眾多分所合作，一起用信息高鐵這個統(tǒng)一概念，在全國各地建一些不同類別的信息高鐵站，通過發(fā)改委支持的大科學(xué)裝置“CENI未來網(wǎng)絡(luò)”連接起來，做一個真實環(huán)境的外場。在外場有四類算力資源站，第一類叫超算中心，是曙光公司在昆山、北京、深圳等地方建立；第二類叫智能計算中心，是寒武紀公司在珠海、濟南等地方建立；第三類叫高通量中心，是睿芯公司在鹽城、雅安等地方建立；第四類叫大數(shù)據(jù)中心，是天璣公司在鄭州等地方建立；還有另外一類叫接入站，規(guī)劃計算所的十幾個分所在各地建立，這些分所要為地方的企業(yè)服務(wù)的話，算力資源、行業(yè)應(yīng)用、數(shù)據(jù)模型等不見得要自己建，通過接入站，讓用戶接入到這個信息高鐵算力網(wǎng)絡(luò)中來，就可以虛擬地擁有自己專屬的一個私有云。在這個外場和內(nèi)場結(jié)合的試驗場，研究所、大學(xué)、企業(yè)等都可以對新的技術(shù)體系進行中試，新的技術(shù)、新的設(shè)備、新的應(yīng)用都可以進行評測。以后企業(yè)如果想銷售自己的產(chǎn)品，給客戶展示自己的技術(shù)，都可以到這個綜合試驗場來，先參觀看演示，再談銷售。
信息高鐵的建設(shè)規(guī)劃分三步走。近期目標，希望通過五年時間，到2025年，建成信息高鐵綜合試驗場，包括1個南京總站，10個信息高鐵資源站，16個信息高鐵接入小站。目前硬件層已經(jīng)準備的比較充分了，今年網(wǎng)絡(luò)計算創(chuàng)新研究院部署了系統(tǒng)軟件的研制任務(wù)，希望在兩年之內(nèi)把系統(tǒng)軟件做好，然后再做信息高鐵新型應(yīng)用，分層推進與整合。
中長期規(guī)劃，第二步到2030年，實現(xiàn)信息高鐵的“小網(wǎng)通”，覆蓋我國100個以上城市，形成一個使用新技術(shù)體系建設(shè)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，在我國產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中展現(xiàn)出優(yōu)勢。第三步到2035年，實現(xiàn)信息高鐵的“大聯(lián)通”，信息高鐵技術(shù)體系輻射到全國3000個城市的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并走向一帶一路國家。這是計算所推動“新基建”的一個思路。
信息高鐵的商業(yè)推廣模式是“聯(lián)邦制”。計算所提供共性技術(shù)與標準，每個城市建設(shè)的信息高鐵站由計算所合作企業(yè)承建，是產(chǎn)權(quán)獨立的主體，組成類似歐盟的城市算力聯(lián)邦，通過信息高鐵總站進行統(tǒng)一計價和結(jié)算。中央測調(diào)系統(tǒng)能對全網(wǎng)資源進行測調(diào)，對應(yīng)用的用戶體驗進行測評。用李曉東研究員的說法，未來信息高鐵要實現(xiàn)價值互聯(lián)網(wǎng)，價值在城市之間是可以流動的，即一個城市的數(shù)據(jù)、模型等結(jié)果對另一個城市有用。這個價值是可以通過區(qū)塊鏈來進行標識，進行結(jié)算的。聯(lián)邦制的信息高鐵不再是巨頭壟斷式的游戲，是中小城市、中小企業(yè)共同結(jié)成的一個算力命運共同體。
信息高鐵的商業(yè)推廣模式
2、信息高鐵的定位
信息高鐵的定位是一個主要服務(wù)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施。
當前的信息基礎(chǔ)設(shè)施是美國在20世紀90年代提出的信息高速公路計劃的產(chǎn)物，主要服務(wù)消費互聯(lián)網(wǎng)，比如微信、網(wǎng)絡(luò)視頻，通過互聯(lián)網(wǎng)普及深刻地影響了數(shù)字經(jīng)濟。信息高鐵是面向互聯(lián)網(wǎng)的下半場，服務(wù)產(chǎn)業(yè)，支撐新一代信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的深度融合，加速行業(yè)的數(shù)字化與智能化進程。信息高鐵并不是替代信息高速公路的下一代技術(shù)，而是和信息高速公路長期并存、協(xié)同工作，相當于公路和鐵路一樣。
我們給這個綜合試驗場取名信息高鐵，也是從各國發(fā)展交通基礎(chǔ)設(shè)施的不同思路中得到的啟發(fā)。比如日本，它的特點是人多（1.28億），地少（37萬平方公里），民眾集體性強、守紀律，是發(fā)達國家（人均3.9萬美元）。從交通數(shù)據(jù)來看，鐵路2.8萬公里，日均6200萬人次，年均226億人次，是世界第一；新干線3280公里，日均115萬人次；高速公路7920公里，日均441萬輛；飛機場101座，前10名日均71萬人次；東京都的交通出行比例，軌道占比77%，電車占比0.3%，汽車占比15.3%，Bus占比4.3%，出租車占比3.8%。從中可以看出日本交通主要依靠軌道交通，它具備幾個特點，首先是分級，有新干線、JR、城郊、市內(nèi)等；有多個運營商，包括JR、東京都、私營等；還有多種交通卡，統(tǒng)一結(jié)算；新干線車站與綜合性商業(yè)設(shè)施一體化；高密度發(fā)車，高密度車站，而且能做到非常準時。這樣復(fù)雜的系統(tǒng)沒有一個強大的測調(diào)系統(tǒng)是做不到的。
美國是汽車上的民族，所以他們提出信息高速公路是跟他們的背景有關(guān)的。如果60年代是一個中國人在中國發(fā)明了互聯(lián)網(wǎng)，那么互聯(lián)網(wǎng)的標準、互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和今天會是一模一樣嗎？科學(xué)技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造，背后是有哲學(xué)基礎(chǔ)的，跟思維方式和文化背景相關(guān)。中國的國情是“人多”、“地少”、“錢少”、“可控”，中國的選擇是發(fā)展大運力的鐵路系統(tǒng)，輔以靈活的公路系統(tǒng)，高速的航空系統(tǒng)。我國的文化是接受讓渡一些個人隱私做到更加的可控，尤其是在擁堵情況下的可控。西方的民眾認為隱私是不能交給政府，或交給某一個組織的。就像疫情突發(fā)時，我們愿意讓渡一些個人的隱私來保障社會安全，我們對政府是信任的。
所以用信息高鐵來命名我們的未來信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)體系，是有這些哲學(xué)思考在里面。
3. 信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)體系的演進
信息高鐵（Information Superbahn），是IT 3.0時代的信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)體系，面向人-機-物三元融合的計算需求，提供高通量的計算與傳輸能力, 保障高品質(zhì)的萬物智聯(lián)信息服務(wù)。
信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)體系的演進路線圖
信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)體系的演進如上圖所示，IT 1.0是高算力，IT 2.0是高帶寬，現(xiàn)在的IT 3.0是高通量。在互聯(lián)層面，最早是機器之間的一元互聯(lián)，然后演進到人和機之間的二元互聯(lián)，現(xiàn)在是人-機-物的三元互聯(lián)。算力從最早的超算中心到云計算中心，再到現(xiàn)在的高通量計算中心。
高通量包括四個特征，分別是：1）高并發(fā)——海量用戶的吞吐率高，連接千億級互聯(lián)物端；2）強實時——端到端延遲可控，支持實時語音等延遲敏感應(yīng)用；3）全局可調(diào)——重載下資源全局可測可調(diào)，提高體驗降低資源；4）內(nèi)構(gòu)安全——基礎(chǔ)硬軟件與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)構(gòu)的安全加固，提高危險時的控制手段。這些技術(shù)特征與產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的很多新興應(yīng)用的需求特征是吻合的。
互聯(lián)網(wǎng)是終端-云端的消費互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，萬物智聯(lián)網(wǎng)是端-邊-云的AI、大數(shù)據(jù)、IoT、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；信息高速公路的標簽是寬帶，從3G、4G到5G，以數(shù)據(jù)傳輸為主；信息高鐵的標簽是高通量，講求并發(fā)數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理并重。信息高速公路的服務(wù)是盡力而為，尾延遲長，且不可控，追求的用戶體驗是快；信息高鐵的服務(wù)是可調(diào)，尾延遲短、可控，追求的用戶體驗是多和穩(wěn)。
2010年李國杰院士領(lǐng)導(dǎo)我們做973項目的時候，提出了高通量這個詞，現(xiàn)在來看這個詞具有很長的生命力，它不僅僅作為高性能計算機的一個特征，也可以作為智能處理的一個特征，還可以作為智能網(wǎng)絡(luò)與接入的一個特征，是人-機-物三元計算的核心特征。
4、體系結(jié)構(gòu)視角—“ Network is Computer”
信息高鐵技術(shù)體系的新在哪里？可以透過“網(wǎng)絡(luò)就是計算機”，也就是把整個信息基礎(chǔ)設(shè)施看成是一臺計算機系統(tǒng)的話，從體系結(jié)構(gòu)的視角看，有哪些地方需要創(chuàng)新的。
Sun公司在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的早期提出來“Network is Computer”的理念。如果把信息基礎(chǔ)設(shè)施看成一個計算機系統(tǒng)整體，那么數(shù)據(jù)中心是處理器，存儲系統(tǒng)是內(nèi)存，互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)是數(shù)據(jù)總線，無線接入網(wǎng)是I/O總線，IoT設(shè)備是各類終端，云存儲是磁盤。消費互聯(lián)網(wǎng)是“數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)”，關(guān)注的是在終端、數(shù)據(jù)中心之間怎么移動數(shù)據(jù)；產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是“算力互聯(lián)網(wǎng)”，關(guān)注的是各類終端的數(shù)據(jù)怎么在各類數(shù)據(jù)中心上被高效處理。
那么信息高鐵這臺算力互聯(lián)網(wǎng)計算機在體系結(jié)構(gòu)上還缺什么？它缺全機地址空間的命名、分配機制，缺數(shù)據(jù)總線，缺控制信令，缺全機調(diào)度器與資源分配算法，缺數(shù)據(jù)標簽與應(yīng)用標簽，缺全機編程框架與使用環(huán)境，缺全機分布式應(yīng)用等。
下面舉例說明可能的新在哪里。信息基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)與控制機制為什么要變呢？因為現(xiàn)有信息基礎(chǔ)設(shè)施缺乏對高載荷的綜合應(yīng)對能力，在高并發(fā)場景下，實時性的保障差，尾延時大幅增加。當負載超過現(xiàn)有信息基礎(chǔ)設(shè)施的容量時，就需要通過額外增加大量資源來保證信息服務(wù)，否則會引起大量混亂。從控制結(jié)構(gòu)上看，對于復(fù)雜的規(guī)模很大的系統(tǒng)，強兩維控制才是有效的，局部強、全局也要強?，F(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)是局部強、全局弱。一個好的可擴展系統(tǒng)都是強兩維結(jié)構(gòu)，比如機群結(jié)構(gòu)就是一個強兩維結(jié)構(gòu)，每一個節(jié)點從原來一顆CPU，兩顆CPU，到四顆CPU，再到一顆加速器，四顆加速器，全局互聯(lián)的能力也在不斷變強。所以信息高鐵的架構(gòu)需要變，增加一個全局測調(diào)中心，在時間和空間兩個維度做調(diào)度，在時間維度可以把大載荷服務(wù)的時間拉平一點，在空間維度可以把擁堵地方的負載調(diào)到空閑的地方。
5、打造信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)體系的戰(zhàn)略意義
信息高鐵的戰(zhàn)略意義有三點。一，形成信息基礎(chǔ)設(shè)施的“C”體系；A體系是美國主導(dǎo)的信息高速公路技術(shù)體系；B體系是中國為了國家安全必須打造的自主創(chuàng)新技術(shù)體系，是防御性的，底線思維的，較難走向國際的；C體系是面向未來需求的、全球合作、不會被卡死的、先進的技術(shù)體系，可以推廣到“一帶一路”國家。二，信息高鐵可以低成本、高品質(zhì)地大幅提高我國信息基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)質(zhì)量，更大程度消除地域間的信息鴻溝，加速我國數(shù)字經(jīng)濟的進程。三，信息高鐵基礎(chǔ)軟硬件、核心網(wǎng)絡(luò)采用內(nèi)構(gòu)的安全加固，局部自治、全局可調(diào)的架構(gòu)提供了安全應(yīng)急新手段，有助于在網(wǎng)絡(luò)安全事件突發(fā)時的防控。
最后小結(jié)一下，信息高鐵的三個關(guān)鍵詞就是C體系、高通量、聯(lián)邦制。目標就是要形成中國的信息基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)體系，提供萬物智聯(lián)的高品質(zhì)信息服務(wù)，推動數(shù)字經(jīng)濟的跨越發(fā)展。以信息高鐵綜合試驗場為源頭，鏈接遍布全國的算力資源，形成輻射全國的算力互聯(lián)網(wǎng)。
（節(jié)選自孫凝暉所長在2020年計算所春季戰(zhàn)略規(guī)劃會上的講話）