提高前沿研究水平是實(shí)現(xiàn)計(jì)算所源頭定位的關(guān)鍵
孫凝暉
2014年1月10日
兩年多來(lái)，計(jì)算所的員工對(duì)“一個(gè)定位”開(kāi)展廣泛討論，不斷修正完善，目前對(duì)2011-2030年的計(jì)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(guó)家信息安全，成為中國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)人才與技術(shù)的源頭。在計(jì)算技術(shù)學(xué)科的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、智能技術(shù)三個(gè)主要研究領(lǐng)域，開(kāi)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?！?/p>
這個(gè)描述十分明確地將“學(xué)術(shù)前瞻”作為了計(jì)算所實(shí)現(xiàn)價(jià)值的前提條件。計(jì)算所在過(guò)去為國(guó)家安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出很大貢獻(xiàn)，一個(gè)不足就是沒(méi)有建立起完整的、高水平的學(xué)術(shù)前沿研究體系，在當(dāng)前習(xí)總書(shū)記提出的“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略和“四個(gè)率先”要求面前就顯得“內(nèi)功”不夠，在做產(chǎn)業(yè)源頭的進(jìn)程中有些“發(fā)虛”。唐古拉山地區(qū)之所以成為長(zhǎng)江、瀾滄江、怒江的源頭，就是因?yàn)樗鼔蚋?、水量夠充沛。中?guó)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(jì)算所實(shí)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(duì)基礎(chǔ)研究，前沿研究更強(qiáng)調(diào)其目標(biāo)導(dǎo)向性，前沿研究和基礎(chǔ)研究都承擔(dān)著發(fā)現(xiàn)新知識(shí)、提出新技術(shù)的任務(wù)，前沿研究的特點(diǎn)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(dān)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(diǎn)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(guó)家創(chuàng)新體系和產(chǎn)業(yè)價(jià)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(gè)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(hù)、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(kāi)放的、面向較長(zhǎng)期的關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)共性問(wèn)題等。
前沿研究的宗旨是解決前沿需求，這些需求包括來(lái)自促進(jìn)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)問(wèn)題、來(lái)自產(chǎn)業(yè)的共性問(wèn)題以及影響國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。前沿需求會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展而不斷推進(jìn)。例如，從1945年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC誕生到1960年代，計(jì)算機(jī)主要是滿足軍方需求，上世紀(jì)60年代美國(guó)軍方耗資100億美元的防范蘇聯(lián)核轟炸的實(shí)時(shí)系統(tǒng)SAGE項(xiàng)目就促進(jìn)了大型機(jī)技術(shù)、內(nèi)存技術(shù)、交互技術(shù)等發(fā)展，提升了負(fù)責(zé)研發(fā)的MIT、IBM的實(shí)力，孵化了DEC等創(chuàng)業(yè)公司。從1960年代開(kāi)始，民用需求開(kāi)始興起，為降低用戶維護(hù)成本，IBM研制了劃時(shí)代的System 360，還于1961年成立了沃森實(shí)驗(yàn)室（Thomas J .Watson Research Center）。斯坦福大學(xué)與硅谷的崛起也得益于準(zhǔn)確地把握了產(chǎn)業(yè)需求?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展史其實(shí)是人類社會(huì)發(fā)展的技術(shù)選擇史，因此前沿需求的引導(dǎo)對(duì)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(guó)科學(xué)院的國(guó)家研究顧問(wèn)團(tuán)（National Research Council of the National Academies）對(duì)信息產(chǎn)業(yè)的歷史發(fā)展進(jìn)行了調(diào)研，形成了供美國(guó)政府決策參考的重要報(bào)告《Innovation in Information Technology》（信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新）。報(bào)告強(qiáng)調(diào)了前沿研究對(duì)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(dòng)關(guān)系。
這份報(bào)告以 1960 年代為時(shí)間起點(diǎn)，列出了19個(gè)極具代表性的超過(guò)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(jì)性結(jié)論：前沿研究與企業(yè)研發(fā)互動(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)的，從概念階段到最終形成產(chǎn)業(yè)的整個(gè)過(guò)程中，都離不開(kāi)從事前沿研究的科研機(jī)構(gòu)的參與與互動(dòng)。
三、前沿研究在計(jì)算所歷史上的貢獻(xiàn)
回顧計(jì)算所57年的發(fā)展歷史，始終把握不同時(shí)代國(guó)家的前沿需求來(lái)開(kāi)展科研工作，在具有影響力的貢獻(xiàn)背后，離不開(kāi)前沿研究的關(guān)鍵作用。
新中國(guó)成立之初，國(guó)家的前沿需求就是研制計(jì)算機(jī)為國(guó)防服務(wù)，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)人才。1958年研制成的我國(guó)第一臺(tái)通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)103機(jī)還是仿制蘇聯(lián)計(jì)算機(jī)，夏培肅先生1960年領(lǐng)導(dǎo)研制了前沿研究性質(zhì)的107計(jì)算機(jī)，對(duì)培養(yǎng)自行設(shè)計(jì)的人才起了重要作用。1967年計(jì)算所自行設(shè)計(jì)專為兩彈一星服務(wù)的109丙機(jī)，使用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15年被譽(yù)為“功勛計(jì)算機(jī)”，它是中國(guó)第一臺(tái)具有分時(shí)、中斷系統(tǒng)和管理程序的計(jì)算機(jī)。
在1960年代，傳統(tǒng)的計(jì)算數(shù)學(xué)方法在電子計(jì)算機(jī)上遇到很多問(wèn)題，影響了自行研制的計(jì)算機(jī)能力的發(fā)揮。馮康先生帶領(lǐng)計(jì)算所計(jì)算數(shù)學(xué)研究室針對(duì)橢圓型方程計(jì)算方法開(kāi)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(kāi)發(fā)了通用的有限元程序庫(kù)，解決了中國(guó)當(dāng)時(shí)最大的劉家峽水壩應(yīng)力分析等的計(jì)算問(wèn)題，于1982年獲全國(guó)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，馮康先生因?yàn)楠?dú)立發(fā)展了有限元方法而倍受國(guó)際關(guān)注。
在1970年代，光靠工藝的進(jìn)步已不能持續(xù)提高計(jì)算機(jī)的速度，創(chuàng)立了中國(guó)第一個(gè)體系結(jié)構(gòu)研究小組的高慶獅院士開(kāi)展了并行微結(jié)構(gòu)的前沿研究工作，提出了虛共存細(xì)胞結(jié)構(gòu)縱橫加工向量機(jī)原理，成為計(jì)算所研制十億次、百億次巨型機(jī)的基礎(chǔ)，他給出的素?cái)?shù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的最優(yōu)地址映射算法，還被計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)最權(quán)威的教科書(shū)《Computer Architecture:A Quantitative Approach》 收錄。
二十世紀(jì)80年代，國(guó)家的前沿需求從為國(guó)防建設(shè)服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驀?guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)。計(jì)算所大力推動(dòng)微機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲中國(guó)科學(xué)院1983年度重大科技成果一等獎(jiǎng)，聯(lián)想式漢字微型機(jī)LX－PC系統(tǒng)獲得1988年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，為我國(guó)微機(jī)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
到了1990年代，計(jì)算所1991年研制了用于石油地質(zhì)勘探油田開(kāi)發(fā)的KJ8920大型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，獲1993年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。然而，我國(guó)的高性能計(jì)算機(jī)仍以面向軍事應(yīng)用、定制系統(tǒng)為主，日益增長(zhǎng)的民用需求只能進(jìn)口國(guó)際企業(yè)的產(chǎn)品，關(guān)鍵部門從國(guó)外引進(jìn)計(jì)算機(jī)的指標(biāo)要受“巴統(tǒng)組織（針對(duì)社會(huì)主義國(guó)家的輸出管制統(tǒng)籌委員會(huì)）”的限制，國(guó)產(chǎn)商品化高性能計(jì)算機(jī)市場(chǎng)一片空白。1990年3月國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研究開(kāi)發(fā)中心成立，在李國(guó)杰院士的領(lǐng)導(dǎo)下開(kāi)辟了并行處理的前沿研究方向。1993年研制的曙光一號(hào)是我國(guó)第一臺(tái)全對(duì)稱多處理機(jī)，也是國(guó)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(guó)第一臺(tái)采用大規(guī)模并行處理技術(shù)（MPP）的計(jì)算機(jī)，也是國(guó)際上第一次采用蛀洞路由機(jī)制的計(jì)算機(jī)，從此開(kāi)啟了曙光高性能計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化之路。其中，智能中心的一個(gè)重要的布局是設(shè)立了一個(gè)專門從事前沿研究的理論組，計(jì)算所后來(lái)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(gè)時(shí)候開(kāi)始并逐步成長(zhǎng)起來(lái)。
四、新時(shí)期計(jì)算所的前沿研究
在新的時(shí)期建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家、成為計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)，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(jī)這樣的新興領(lǐng)域贏得市場(chǎng)，就需要類似于英國(guó)劍橋大學(xué)在上世紀(jì)80-90年代就開(kāi)始的以低功耗為目標(biāo)的長(zhǎng)期前沿研究。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向，當(dāng)前的主流應(yīng)用負(fù)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(jì)算機(jī)等前沿研究，才足夠支撐中國(guó)企業(yè)成為IT領(lǐng)域世界級(jí)企業(yè)的宏大目標(biāo)。
表一 計(jì)算機(jī)化(XaaC, X as a Computer)的歷史演變與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
我們有機(jī)會(huì)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(jì)算機(jī)化（XaaC，X as a computer）的發(fā)展趨勢(shì)，我們?cè)诳茖W(xué)院NICT先導(dǎo)專項(xiàng)承擔(dān)的海云計(jì)算系統(tǒng)，就是要研究如何將計(jì)算機(jī)縮小到毫米級(jí)別，如何在云端對(duì)EB級(jí)大數(shù)據(jù)進(jìn)行高速智能處理，這些都是未來(lái)三元融合世界（IT 3.0）的核心技術(shù)。
計(jì)算所在前沿研究上的布局是圍繞計(jì)算機(jī)科學(xué)的三個(gè)基本問(wèn)題，即（1）Charles Babbage（1791-1871）問(wèn)題——提出了自動(dòng)計(jì)算的概念，實(shí)現(xiàn)比人算得更快的機(jī)器計(jì)算；（2）Vannevar Bush（1890-1974）Memex問(wèn)題——要求可以存儲(chǔ)海量的書(shū)籍、報(bào)紙、雜志、照片、記錄等各種文獻(xiàn)，并通過(guò)超級(jí)鏈接組織起來(lái)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、索引、日志、評(píng)價(jià)和摘要的集成；（3）Alan Turing（1912-1954）問(wèn)題——使機(jī)器具有看、說(shuō)、聽(tīng)以及思考的能力。以計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科學(xué)院智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為組織平臺(tái)。計(jì)算所在“端網(wǎng)云”信息基礎(chǔ)設(shè)施上的八項(xiàng)重要工作：多核處理器、E級(jí)計(jì)算機(jī)、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(jí)基站、智能信息處理、普適計(jì)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(jìn)展。
集成展示平臺(tái)是計(jì)算所前沿研究的特色與優(yōu)勢(shì)。集成展示平臺(tái)作為載體銜接前沿研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)，在解決學(xué)術(shù)與技術(shù)兩張皮問(wèn)題中要起到關(guān)鍵橋梁作用。前沿研究要以集成展示平臺(tái)作為抓手，以更加直觀、更具顯示度、更有說(shuō)服力的方式來(lái)驗(yàn)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(píng)價(jià)計(jì)算所一項(xiàng)前沿研究成果是否具有價(jià)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(tái)上驗(yàn)證和展示其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，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(jià)值。計(jì)算所創(chuàng)新課題部署的“愛(ài)心小屋”、“機(jī)器博士”就是要促進(jìn)這方面的進(jìn)展。
五、結(jié)語(yǔ)
作為信息技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)院研究所，沒(méi)有國(guó)際化高水平的前沿研究，計(jì)算所科研工作的前瞻性、引領(lǐng)性就無(wú)法體現(xiàn)。要體現(xiàn)出科學(xué)院研究所的獨(dú)特價(jià)值，區(qū)別于作為技術(shù)創(chuàng)新主體的企業(yè)和國(guó)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(lái)標(biāo)識(shí)自己。沒(méi)有開(kāi)闊的國(guó)際視野來(lái)牽引我們的研究活動(dòng)，不通過(guò)高水平前沿研究的過(guò)程來(lái)不斷形成學(xué)術(shù)積累、影響力和高水平的人才梯隊(duì)，計(jì)算所的可持續(xù)發(fā)展就得不到保障。
計(jì)算技術(shù)和計(jì)算所發(fā)展的歷史證明，做好前沿研究必須準(zhǔn)備把握時(shí)代的前沿需求。新時(shí)期計(jì)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(qǐng)教，多和企業(yè)合作。計(jì)算所要努力成為像斯坦福大學(xué)對(duì)美國(guó)硅谷的作用那樣的世界一流研究所。