Meta OS超級(jí)操作系統(tǒng)功能示意圖

透明計(jì)算擴(kuò)展馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的原理示意圖

張堯?qū)W與學(xué)生在一起 楊燕飛攝

一個(gè)由中國(guó)科學(xué)家提出、定義、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的原創(chuàng)成果斬獲了我國(guó)基礎(chǔ)研究“桂冠”——2014年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這就是被國(guó)外同行稱(chēng)為“先于云計(jì)算、包含云計(jì)算”的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算理論及模式——“透明計(jì)算”。清華大學(xué)教授、中南大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士張堯?qū)W和他的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)潛心研究，20年磨一劍，把理論創(chuàng)新與普通用戶的需求相結(jié)合，創(chuàng)造了首個(gè)由中國(guó)推動(dòng)的計(jì)算技術(shù)。

別了，馮·諾依曼

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，馮·諾依曼的名字被IT人奉為圭臬。這位美國(guó)科學(xué)家以經(jīng)典的單機(jī)存儲(chǔ)式體系結(jié)構(gòu)，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，長(zhǎng)期占據(jù)計(jì)算機(jī)主流。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的局限性日益凸顯，產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)安全性低、用戶使用復(fù)雜、產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)苤朴谌说纫幌盗袉?wèn)題。

“現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是單機(jī)的，在單機(jī)上發(fā)展越多，操作系統(tǒng)就會(huì)越來(lái)越龐大和復(fù)雜，不可避免地會(huì)出現(xiàn)很多漏洞。”據(jù)張堯?qū)W介紹。進(jìn)入上世紀(jì)70年代以后，伴隨著局域網(wǎng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已逐步進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)計(jì)算階段，但計(jì)算機(jī)之間的互聯(lián)主要是靠協(xié)議，理論基礎(chǔ)并沒(méi)有大突破。

如何突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的束縛，擁有安全、高效的“中國(guó)”標(biāo)簽的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果？這個(gè)問(wèn)題不僅關(guān)系到計(jì)算機(jī)技術(shù)的未來(lái)，也成為關(guān)系國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的重大課題。

被張堯?qū)W稱(chēng)為“運(yùn)氣”的透明計(jì)算原創(chuàng)成果，因?qū)︸T·諾依曼結(jié)構(gòu)作出的革命性改進(jìn)備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注。實(shí)際上，相關(guān)工作始于1991年。這一年，在清華大學(xué)任教的張堯?qū)W開(kāi)始致力于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算模式的創(chuàng)新。7年后，他申請(qǐng)的國(guó)家“863”項(xiàng)目獲得成功，并開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（NPC）。

彼時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)才剛剛普及，中國(guó)接入互聯(lián)網(wǎng)尚不到5年，IT界還普遍處于操作系統(tǒng)為王的“微軟時(shí)代”，敏銳的張堯?qū)W已意識(shí)到網(wǎng)絡(luò)對(duì)計(jì)算機(jī)本身帶來(lái)的深刻影響。在把應(yīng)用軟件放到服務(wù)器上之后，他又開(kāi)始嘗試把操作系統(tǒng)從原本已十分精簡(jiǎn)的終端上拿掉，提出了沒(méi)有操作系統(tǒng)的計(jì)算模式。

按馮·諾依曼的經(jīng)典設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)和程序都不加區(qū)別地存放在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，被CPU調(diào)用執(zhí)行，形成芯片層、接口層、操作系統(tǒng)、軟件應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)層的嚴(yán)格等級(jí)結(jié)構(gòu)。沒(méi)有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)難以想象，不僅計(jì)算機(jī)的處理模式是串行的，而且網(wǎng)絡(luò)也像“云端”一樣暴露在外層。

2004年，張堯?qū)W正式提出“透明計(jì)算”的思想。其核心是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算與管理相分離，并確立了跨終端、跨平臺(tái)的“雙跨”原則和“按需服務(wù)”的理念。這一體系的確立比國(guó)外 “云計(jì)算”概念的提出早了整整3年。

針對(duì)開(kāi)放與安全這一對(duì)看似“悖論”的矛盾，張堯?qū)W團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)大膽的改進(jìn)：將網(wǎng)絡(luò)互連平臺(tái)由較高的網(wǎng)絡(luò)層下降到芯片和操作系統(tǒng)之間的接口層。這一改變不僅徹底打開(kāi)了被國(guó)外廠商控制的芯片與操作系統(tǒng)間的“黑匣子”，由于在接口層設(shè)計(jì)了保護(hù)程序，也使上層軟件系統(tǒng)受攻擊和安全漏洞威脅的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

學(xué)術(shù)界認(rèn)為，這種從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層尋求安全保護(hù)的方法創(chuàng)新地改變了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域近70年的固有思維和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模式，理論上可防御所有病毒對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的攻擊，使用戶放心使用各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，全面提升計(jì)算機(jī)安全級(jí)別。

再進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)將計(jì)算機(jī)總線擴(kuò)展為網(wǎng)線，將單機(jī)串行處理擴(kuò)展到多機(jī)并行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的“時(shí)空擴(kuò)展”。至此，一個(gè)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的新體系結(jié)構(gòu)初具雛形。

中國(guó)學(xué)者的工作引起了主流計(jì)算機(jī)科學(xué)界的密切關(guān)注，國(guó)際上目前已有30多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)該領(lǐng)域開(kāi)展跟蹤研究。美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)士（ACM Fellow）Marshall C.Yovits將透明計(jì)算稱(chēng)為“張氏協(xié)議綜合法”；而另一位ACM Fellow，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)始人之一、美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授張輝更是大膽預(yù)測(cè)：透明計(jì)算將取代已控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思想和實(shí)踐至少60年之久的傳統(tǒng)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。

中國(guó)“超級(jí)操作系統(tǒng)”

把操作系統(tǒng)從終端上拿掉后，用戶怎么操作和使用計(jì)算機(jī)呢？張堯?qū)W定義和提出了一個(gè)名為Meta OS的“超級(jí)操作系統(tǒng)”。簡(jiǎn)言之，就是“管理操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)”。

早在上世紀(jì)90年代初，張堯?qū)W就注意到，為了趕潮流或升級(jí)換代，人們每年都會(huì)投入很大一筆錢(qián)更換終端和升級(jí)應(yīng)用?！叭绻f(shuō)我們有臺(tái)機(jī)器不用升級(jí)，能直接將新的應(yīng)用從PC端獲得的話，不就沒(méi)必要花這筆費(fèi)用了？”他這樣自問(wèn)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端普及后，新的問(wèn)題又來(lái)了?！氨热缣O(píng)果手機(jī)，它就是一個(gè)封閉系統(tǒng)。如果你要使用中國(guó)移動(dòng)平臺(tái)上的軟件，現(xiàn)在肯定沒(méi)法用。而我們成果的意義就在于能夠打破兩個(gè)系統(tǒng)的限制，實(shí)現(xiàn)兩者所開(kāi)發(fā)軟件的自由使用?！?在張堯?qū)W看來(lái)，不能指導(dǎo)實(shí)踐的理論必然是空洞的。事實(shí)上，目睹軟硬件相互捆綁、嚴(yán)重依賴(lài)導(dǎo)致的封閉化現(xiàn)象對(duì)用戶和產(chǎn)業(yè)造成的傷害，正是他從事網(wǎng)絡(luò)計(jì)算研究并最終提出透明計(jì)算理論的原動(dòng)力。

從2009年開(kāi)始，張堯?qū)W團(tuán)隊(duì)將透明計(jì)算拓展至移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。到2010年，他們終于做出了一個(gè)模型。2012年10月出版的《國(guó)際云計(jì)算雜志》以長(zhǎng)達(dá)百余頁(yè)的專(zhuān)輯形式介紹了這種新型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算操作系統(tǒng)，在國(guó)際業(yè)界引起震動(dòng)。

在中南大學(xué)計(jì)算機(jī)系的透明計(jì)算實(shí)驗(yàn)室里，記者見(jiàn)到了這臺(tái)被研究人員喚作“小寶”的透明計(jì)算終端。它看上去就是一臺(tái)顯示器，比一體機(jī)還要小，其容量近乎裸機(jī)。

工作人員向記者現(xiàn)場(chǎng)演示了大型軟件AutoCAD的使用過(guò)程。原來(lái)，所有數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)都不在終端上，而是存儲(chǔ)于服務(wù)器上，計(jì)算機(jī)上只有一個(gè)個(gè)虛擬圖標(biāo)。使用時(shí)，只要進(jìn)入Meta OS，便可根據(jù)需求選擇調(diào)用Windows、Linux、IOS等不同操作系統(tǒng)，不僅啟動(dòng)速度和平時(shí)沒(méi)什么兩樣，還可與旁邊手持平板電腦和智能手機(jī)等移動(dòng)終端的用戶實(shí)現(xiàn)同步編輯。

令記者不解的是，人們?cè)缫蚜?xí)慣的下載安裝過(guò)程似乎在“不知不覺(jué)”中消失了。據(jù)介紹，只要網(wǎng)絡(luò)正常，在世界上任何一個(gè)地點(diǎn)登陸，都可以感受到同樣的上述用戶體驗(yàn)，而且不必?fù)?dān)心大量的流量使用，來(lái)自后臺(tái)的精心設(shè)計(jì)展現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)理論改進(jìn)后的強(qiáng)大威力和迷人魅力。

張堯?qū)W告訴記者，Meta OS位于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)和底層硬件芯片之間，相當(dāng)于傳統(tǒng)桌面計(jì)算機(jī)的BIOS層。不僅終端內(nèi)存占用量大大減少，而且可達(dá)到多層次緩存效果，讓用戶可以根據(jù)需要通過(guò)近乎裸機(jī)的小終端獲取不同操作系統(tǒng)平臺(tái)的各種服務(wù)，從而大大降低了對(duì)用戶終端的要求和平臺(tái)的限制。

透明計(jì)算模式采用的計(jì)算方法又被形象稱(chēng)為“流式計(jì)算”，使服務(wù)像水、電一樣供用戶使用。這正是谷歌等互聯(lián)網(wǎng)巨頭描繪的“云計(jì)算”藍(lán)圖，它已被中國(guó)科學(xué)家率先提出和實(shí)現(xiàn)并成功走出實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用于我國(guó)教育、通信、醫(yī)療、冶金等行業(yè)，引起了中國(guó)移動(dòng)、阿里巴巴、騰訊、華為、聯(lián)想等企業(yè)密切關(guān)注。

超越“替代策略”

源自中國(guó)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算原創(chuàng)成果引起了國(guó)際IT巨頭英特爾公司的高度重視。從2007年起，英特爾就成立了專(zhuān)門(mén)研究隊(duì)伍持續(xù)跟蹤研究并大力推廣。在2012年的英特爾全球信息技術(shù)峰會(huì)上，現(xiàn)任總裁詹睿妮用了一個(gè)小時(shí)向與會(huì)者介紹張堯?qū)W和透明計(jì)算，并預(yù)言稱(chēng)“今后的十年將是透明計(jì)算的十年”。如此高調(diào)地推薦一項(xiàng)非英特爾原創(chuàng)的技術(shù)，不僅在英特爾歷史上前所未有，就是在全球信息技術(shù)領(lǐng)域也極為罕見(jiàn)。

盡管如此，對(duì)于國(guó)內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域的差距，張堯?qū)W仍有清醒的認(rèn)識(shí)?！皣?guó)內(nèi)目前所使用的CPU基本上都不是國(guó)內(nèi)自己做的，而是國(guó)外做出來(lái)的，所以目前我們使用的電腦到底安不安全，我們自己是不知道的?！彼硎?，目前他們的研究已掌握了國(guó)外CPU的結(jié)構(gòu)指令，“雖然我們還不是很清楚門(mén)內(nèi)是什么，但至少已經(jīng)把守住了門(mén)口。”

在張堯?qū)W看來(lái)，透明計(jì)算在理論和應(yīng)用上的突破對(duì)產(chǎn)業(yè)的意義主要在于：改變了我國(guó)操作系統(tǒng)發(fā)展一貫采取的“替代策略”，可解決國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全和操作系統(tǒng)技術(shù)長(zhǎng)期受制于人的重大問(wèn)題，并具有可形成新的IT產(chǎn)業(yè)鏈、拉動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的前景與能力。

談到我國(guó)IT技術(shù)的發(fā)展，張堯?qū)W深有感觸。“以前，別的公司做了CPU，我們就想做個(gè)CPU來(lái)取代別的公司；人家有個(gè)Windows操作系統(tǒng)，我們就想做個(gè)操作系統(tǒng)來(lái)取代它?！痹谒磥?lái)，這種替代策略在IT領(lǐng)域其實(shí)是一個(gè)非常艱苦的策略，“因?yàn)閯e的已有公司在用戶體系、資金與市場(chǎng)上都已經(jīng)非常成熟，你不可能輕易撼動(dòng)?！彼约航o出的答案是：共存。

“透明計(jì)算是對(duì)以往存儲(chǔ)計(jì)算的一個(gè)擴(kuò)展，并非完全取代?！睆垐?qū)W說(shuō)，它“不破壞、不反對(duì)、不消滅”原來(lái)的體系結(jié)構(gòu)，但會(huì)派生出很多新的終端來(lái)，從而改變商業(yè)模式和軟件的使用模式。

回顧團(tuán)隊(duì)的研究歷程，張堯?qū)W坦言，起初他們只是專(zhuān)注于問(wèn)題本身，不想一味模仿和替代，并沒(méi)有想到一定要做出什么轟動(dòng)世界的東西。“從解決實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，產(chǎn)生了一些明確的動(dòng)機(jī)和原創(chuàng)的想法?！彪S后，他們帶著這個(gè)動(dòng)機(jī)和想法一鉆就是二十年。

其間，國(guó)家自然科學(xué)基金的支持發(fā)揮了重要作用。1995年、1997年、2009年，透明計(jì)算系列研究工作三次獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。長(zhǎng)達(dá)十余年的跟蹤支持為相關(guān)研究工作的持續(xù)開(kāi)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“國(guó)家自然科學(xué)基金‘不多不少’的經(jīng)費(fèi)支持，鼓勵(lì)探索、寬容失敗的資助定位，激勵(lì)研究人員摒棄浮躁，尊重科學(xué)，忠于理想，潛心學(xué)問(wèn)，在創(chuàng)造力最旺盛的年齡階段夯實(shí)研究基石。”張堯?qū)W說(shuō)。不忘初心，方得始終，這或許就是“運(yùn)氣”背后的答案。