张尧学透明计算 揭秘张尧学和他的“透明计算”:引领下一个计算时代

重在基础研究理论突破的国家自然科学奖一等奖,今年又有了新得主——他们是:清华大学教授张尧学(现中南大学校长)、周悦芝、林闯、任丰原,中南大学教授王国军等,获奖项目名字普通得近乎简单——“网络计算的模式及基础理论研究”,但却是占据计算机领域60年主导地位的冯诺依曼结构传统网络计算模式的首次突破,且与每一个人息息相关。

根据张尧学团队的理论,将来我们每个人的电脑、手机、IPAD等各种终端,可自由选择操作系统,自由选择各种功能。

“透明计算”理论的最大突破,是实现了运算和存储的分离。

在荣誉面前,张尧学一再表示:“自己只是比别人幸运一些。”

战略创新:从“替代”走向“共存”

在张尧学看来,IT产业是个0和1产业,它有专业技术保护。一旦别人申请专利,你只能走不同的发展路径,所以并不存在几个厂商共分一块蛋糕的局面,只能在产业链中各占一个点。但自上世纪90年代开始,我国在计算机发展路上一直走的是“替代”战略,总想做一个东西取代别人。

如人家做了一个Windows操作系统,我们也做个操作系统取代它。这是一个非常艰苦的策略。因为现有的操作系统,它的用户体系、资金与市场非常成熟,我们很难有所突破。

为什么不能构建一个兼容、共存的操作系统呢  一旦这种系统建好,不就可以把选择权交还给用户,让用户可以自由选择自己喜欢的操作系统  于是,想和别人做不一样研究的张尧学,决定从策略上开始转变——构建一个可以兼容、共存的操作系统。

20余年的探索之路

1990年,师从国际著名计算机网络专家野口正一的张尧学顺利留学归来,选择在清华大学一边教学一边做科研。当时,国内的网络才刚开始,美国人却已经研制出了路由器。这路由器虽小,却能允许几台电脑共享网络。如果中国有自己的路由器,就意味着不用再花钱从外国进口了,那可以省下不少钱啊!于是,刚回国没多久的张尧学就向国家建议:要做出自己的路由器。

朝着这个目标,张尧学开始钻研。1995年,他研制出中国第一台路由器,被誉为“中国路由器之父”。1996年,路由器成功商品化。1998年,他又研制成功高速网络接入路由器。同年10月,“数字化家庭网络软件平台”的研究正式启动。这一次,他把目光转向了索普卡。

索普卡的研究任重道远。2000年,已经调至教育部工作的张尧学,在一次跟随代表团出访时,被这样一幕触动了:会谈中,中国教育部领导提出“中国必须大力普及信息技术,但是鉴于经济基础较差、人口众多的国情,中国最需要的是经济、适用、无需频繁升级、少维护的计算机。”对于这一提议,英特尔公司高层频频点头,但并无实质性回应。张尧学暗下决心,要加快研制出一个更方便、更实用、更便宜的新产品。

2001年,张尧学的索普卡电脑终于研制成功。这是一个神奇的“电脑”,相比网络PC,用户可以在终端上自由选择操作系统和应用软件,并且让计算在终端上进行、存储管理数据在服务器上进行。存储和运算分开,存储的东西,数据、程序把它放到网上,运算放在前端,将载体和用户需要的内容进行分离,不管操作系统和应用软件存放在哪里,用户需要什么服务,只要在前端提取就行了,后端则有专业人员管理。

这样就在从前的计算机运算模式上,实现了时间和空间两个方面的扩展。

张尧学称之为“透明计算”。不过,这里的“透明”和平常所说的“透明”看得见、能透过之意不同,它指用户看不到、也不用操心里面的硬件、软件在哪里、怎么管理,就像用水时只消打开水龙头接水、而不用管水是从哪里来的一样。

2003年,张尧学和他的团队把这个概念产品做成后,开始推广。2006年,世界上最大的IT公司Intel公司发现了张尧学的研究,当即决定与他合作。2009年开始,张尧学团队则将透明计算从原来面向桌面计算机和局域网进一步拓展至无线和移动互联网。

到2010年,他们终于在移动互联网上提出了一个模型。这种新操作系统被命名为“TransOS”,它基于透明计算理念,在“核高基”重大专项支持下研制。国内科技主管部门对之寄予厚望,希望这种原创性的网络化操作系统成为中国反制国外垄断的一张“王牌”。

张尧学团队的研究也吸引了全球最大计算机制造商英特尔的注意。2012年9月,在英特尔公司的年会上,该公司高级副总裁詹瑞妮隆重推介张尧学的“透明计算”,称“今后的十年,将是透明计算的十年”。

20余年的潜心研究,张尧学及其团队终于收获了丰硕的果实:在国际上率先提出被国外同行称为“先于云计算、包含云计算”的网络计算模式——“透明计算”,开辟出新的计算时代;同时,成功研制出具有独立知识产权的全新概念——超级操作系统,形成了一系列原创性、系统性的重大创新成果。

揭秘“透明计算”

透明计算系统由终端设备、服务器和连接终端设备与服务器的网络组成。理想的透明计算包括三个部分,一个是整合了当前PC、PDA、智能手机、数字家电等轻权设备的透明客户端;一个是整合当前各种网络设备与互联设备的透明网络;最后一个是整合了大量计算能力较强或者很强的普通个人微机、服务器、大型机等的透明服务器。透明计算自张尧学提出后,历经发展,衍生出三大优势。

首先是安全性。一般来说,设计病毒程序是从计算机的底层入手,打开操作系统的后门,将病毒渗入,而原来的防病毒程序都是在计算机的高层,即在操作系统以上设防。而张尧学一反常规,通过透明计算将网络互连平台由较高网络层下降到计算机芯片和操作系统间的接口层,打开了被国外厂商控制的芯片与操作系统间的“黑匣子”,在接口层设计保护程序,防止上层软件系统受到攻击和安全漏洞威胁,从而解决了信息网络的安全问题。

这种从计算机系统底层寻求安全保护的方法,创新地改变了计算机领域近70年的固有思维和产品结构模式,不仅能防止世界上各种现有的病毒,即便产生新的病毒也可防患于未然。

“以前,也有研究者想到要控制操作系统的安全问题,但是没想到具体做的方法。我只是换了一个思路,由高层转向底层来做,相当于在原有系统之内再加一道‘门’。只要看住了这个‘门’,不管是‘谁’来了,我们都能在第一时间得到信息,快速做出预警措施。”张尧学如此解释他独辟蹊径的解决方式。

其次是设计出了全新概念的超级操作系统。针对当前软硬件系统相互捆绑、严重依赖所导致的封闭化问题,张尧学及团队利用透明计算原理,在传统操作系统和底层硬件芯片间设计出了全新概念的超级操作系统。通过这个超级操作系统,使用户可根据自己的需要,凭借近乎裸机的小终端设备获取不同操作系统平台的各种服务,大大降低了对用户终端的要求。

这就从时空两个维度扩展了传统的冯诺依曼结构,打破了操作系统和硬件间的捆绑关系,也打破了企业产品的垄断局面,用户可自由选择各种软硬件服务。

实际上,从计算机诞生那天起,冯诺依曼结构,即存储程序式结构就一直占据计算机领域的主体。但随着互联网技术的高速发展和大数据时代的来临,冯诺依曼结构的局限性日益突显,用户很难在同一终端上实现跨平台操作等。之前,有不少学者想挑战冯诺依曼结构。

但由于时代客观因素制约,如当时的带宽不够,网速的速度不够快,很多数据调动不过来,因此也就一直没有突破成功。因此,张尧学认为,跨平台的超级操作系统的实现是一种发展趋势,之所以现在可以从理想变成现实,是因为条件具备了。

再者,提出“流式计算”方法优化用户体验。透明计算针对目前软件操作复杂、更新频繁、病毒防护以及数据迁移困难等普遍困扰用户的复杂问题,根据“以用户为中心”的人本思想,创造性地提出“流式计算”方法,将操作系统和应用程序变成让用户能随时随地获取的服务。

“流式计算是存储计算的扩展。相比存储计算,它的一大优势是,除了一点点数据、程序之外,其余的东西我们可以放在我们认为合适的地方。不仅是数据可以不在身边,程序也可以不在身边。终端上只要有个虚的图标,我需要什么服务,它们就水、电等资源一样,在需要时源源不断流向用户供其使用,并且在使用完毕后流走,保证小终端轻便,为简易化操作提供支持。

”张尧学还介绍,“我们最大的创新点在于把计算机电脑放在云中。此前,研究者大多把数据放在云中。

如云计算,大家只是把数据放在别人管数据的地方,而透明计算,则是把数据放在自己指定的地方,选择权交还给用户。除此之外,透明计算相对于云计算的另一大优势是可以跨平台操作。举一个简单的例子,如果把透明计算应用到智能家居如空调、电视、冰箱等上面,我们都不需要太多的遥控器,一个就够了。”

引领下一个计算时代

透明计算这一成果在国际上开辟了一个全新的研究领域和发展方向,为网络计算提供了全新的模式和理论基础。这一理论突破在国际学术界和产业界产生震动,论文不断被转载和引用。目前,国际上已有30多所大学和科研机构进行跟踪研究,200多家主要国际技术媒体进行长篇报道和评论,这在信息领域极为罕见。

在产业界,英特尔公司从2007年起,成立专门研究队伍持续研究并大力推广。现在惠普、IBM等计算机领域跨国集团也已开始关注和研究。这也是张尧学颇为欣慰的一件事:“现在,透明计算已经在行业形成一种共识,很多年轻人、学者都在往这个方向做。单从这点来看,我们的研究还是取得了一些成果。”

大家颇为关注的一个领域,则是透明计算在中南大学湘雅医疗大数据系统建设的应用。这也是张尧学2011年11月到中南大学工作后,力推的一个大项目。目前,湘雅医疗大数据已经应用于跨区域跨医院跨系统就诊、个体化医疗信息安全采集和科研应用等方面,管理超过100亿条用户健康数据,实现用户隐私保护和健康数据便捷访问,将来有望带来大健康产业8万亿的年产值。

也许,你很难想象,我们可以通过手机远程做实验。但是透明计算让这一想象成为现实。通过采用透明计算模式,中南大学和上海交通大学等相关实验室的管理与教学系统已经实现了实验室管理的便捷性和灵活性。即使在长沙,也可以做上海某个大学实验室的相关实验。

在国内产业界,透明计算也成功应用到我国大型冶金企业的工控系统与工程设计部门。如广西有色华锡集团和中金岭南凡口铅锌矿,实现了工程设计和工业控制的安全性、高维护性和高可靠性。阿里巴巴、华为、联想等企业也已开始关注并使用该成果。

不过,在面临将研究成果进一步产业化问题时,张尧学却坦言,自己已经没有了雄心壮志,且囿于科研、管理、教学等原因,不能全心全意投入于移动互联网浪潮。不过,基于透明计算转化的产品,相比同类产品具有的先天优势,如便宜、不需要升级、不用装新软件,应该可以在市场上享有明显的竞争优势。(通讯员王建湘陈祯 唐静)