内刊访谈

[委员之声] 加强计算机科学基础研究促进软件产业高质量发展

发表时间:2019-04-26 11:04:23

文/赵琛

当前计算机科学面临新的重大发展机遇:一是支撑硬件提速红利的摩尔定律因为面临物理极限而接近失效,软件重新成为主战场;二是量子计算、智能计算等新型计算模型或者计算模式正在突破传统计算的桎梏,软件是最具颠覆性的要素;三是机器人、智能网联汽车等新型智能终端即将大面积爆发,需要新的操作系统来主导生态。中国必须抓住这一次变革的机遇,加强计算机科学基础研究。
 

当前信息技术处于转型关键期,计算机科学面临重大发展机遇。本文通过分析通用计算机发展的历史源头、美国IT产业强大的根源、当前面临的计算机科学理论突破和技术转型的机遇,阐明加强计算机科学基础研究的意义,最后提出几点加强计算机科学基础研究,促进软件产业高质量发展的建议。
 

计算理论的突破是信息产业发展的关键
 

通用计算机的产生源于计算理论的突破。1946年2月14日,由美国军方定制的世界上第一台通用计算机ENIAC研制成功,ENIAC的问世具有划时代的意义,标志着电子计算机时代的到来。但人类探索机械计算装置的历史可以追溯更远,1642年帕斯卡加法器、1674年莱布尼茨机械计算器、1822年巴贝奇机械差分计算机等等,但一直没有本质的突破。工业发展水平的限制可能是原因之一,但根本的原因是基础理论没有突破,即使是ENIAC机器的早期实现,我们已经称之为电子计算机,依然没本质的突破。《天才的拓荒者:冯·诺伊曼传》记述:“到了1944年,电子计算机需要一位顶级数学家的出现:他的洞察力可以筛选出最符合逻辑的计算机设计”,这位数学家就是匈牙利的数学家冯·诺伊曼(John Von Neumann),他提出了程序存储计算机,使得ENIAC后期设计成为通用计算机,所以我们称当代计算机的体系结构为冯·诺伊曼结构,而ENIAC的早期设计者却是埃克特。

冯·诺伊曼是20世纪最重要的数学家之一,在基础数学和应用数学领域都有杰出贡献。著名华裔逻辑学家王浩著《哥德尔》中记述:奥地利数学家哥德尔1930年7月在柯尼斯堡会议的数学基础专题讨论会中宣布哥德尔第一不完备定理,引起了冯·诺依曼的重视,10月24日哥德尔不完备定理全文发表后,冯·诺伊曼给哥德尔去信盛赞这一划时代的贡献。我们知道当时哥德尔的研究结果并没有被大多数人接受,而这结果奠定了计算的理论,为1936年英国科学家图灵提出图灵计算模型提供了基础。所以,可以说由冯·诺伊曼筛选出最符合逻辑的计算机设计似乎是一种必然,源于他对图灵计算模型的深刻理解,源于他对哥德尔计算理论的准确前瞻把握,所以说通用计算机的产生源于计算理论的突破。

美国IT产业强大的根源在于始终站在计算机科学的最前沿。二战前后以哥德尔、冯·诺依曼为代表的大批欧洲杰出科学家来到美国,带来了一大批基础研究创新成果,奠定了美国计算机发展的最早期基础。随后美国始终重视基础研究,使其成为了计算机科学发源地和发展的世界中心。计算机科学(Computer Science,简称CS)是研究信息与计算的理论基础及其在计算机系统中的实现与应用的基础学科。截至2018年,代表计算机科学领域最高荣誉的图灵奖67位获奖者中,按获奖时国籍统计,美国拥有54人、英国5人、挪威2人、以色列、加拿大、丹麦、法国、荷兰、瑞士各1人。计算机科学领域的原始创新研究成果被美国的工业基础和市场规模迅速放大,催生了美国当前覆盖全球的信息技术产业,地位至今难以撼动。

我们从通用计算机的诞生可以看到:没有基础理论的突破,就很难产生颠覆性的技术和可持续规模化发展的产业。信息技术已成为国家发展转型升级最为重要的支撑和驱动,其辐射范围之大、带动作用之强前所未有。信息技术具有上层技术对底层技术和产业生态强依赖的特性,其基础研究成果直接影响到相关标准和生态构建,一旦生态构建完成,要再进行替代就会无比困难。“抢源头、占生态”,是信息产业发展最为重要的手段。计算机科学是信息技术的源头,是软件核心技术和产品的基础,没有计算机科学基础创新的软件产业恰如无源之水、无本之木。我国在芯片、操作系统领域屡次被美国等国家“卡脖子”,主要根源之一就在于上世纪40~50年代计算机科学的基础理论奠基时期,由于历史和经济的局限,在源头创新上没有抢占先机。
 

信息技术及其产业处于转型关键期
 

当前信息技术正处于转型期,新的生态系统开始构建,此时计算机科学基础研究的源头创新至关重要。每一次计算机科学的革命性成果都会带来信息技术产业的交替和颠覆。当前计算机科学又面临新的重大发展机遇:一是支撑硬件提速红利的摩尔定律因为面临物理极限而接近失效,软件重新成为主战场;二是量子计算、智能计算等新型计算模型或者计算模式正在突破传统计算的桎梏,软件是最具颠覆性的要素;三是机器人、智能网联汽车等新型智能终端即将大面积爆发,需要新的操作系统来主导生态。中国必须抓住这一次变革的机遇,才能保证在信息技术新的发展周期中抢占先机从而立于不败之地。加强计算机科学基础研究是抓住这一次变革机遇的关键,通过基础理论突破大幅增强源头供给,并打通基础研究和技术创新衔接的绿色通道,将基础研究带动应用技术群体突破,系统提升持续创新能力,赋予IT产业自主创新发展的灵魂。
 

建议加强计算机科学基础研究
 

加强计算机科学基础研究,是中国高质量发展道路的必然选择。习近平总书记在党的十九大报告中指出,“创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。”2018年1月国务院发布的《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》明确要求:“到2020年,...在科学前沿重要方向取得一批重大原创性科学成果,解决一批面向国家战略需求的前瞻性重大科学问题,支撑引领创新驱动发展的源头供给能力显著增强。”如果我们能抓住本轮计算机科学的变革机遇,加强计算机科学基础研究,产出原创性、颠覆性的成果,辅之以产业生态快速聚集能力,将有望在软件定义、量子软件、智能软件等方向培育出世界级的软件企业,推动软件产业高质量发展。
 

加强计算机科学基础研究,促进我国软件产业高质量发展,需要重视如下几方面工作:

第一,遵循科学规律,鼓励科学家瞄准传统计算的极限、量子不确定性和非局部性的基本原理、通过计算机学习的极限、新型计算模型或模式等世界科技前沿问题,开展自由探索式的科学研究,解决国际公认的重大科学问题;

第二,立足于未来5~10年潜在的技术突破和产业需求,在量子计算、智能系统、软件定义、工业互联网等方面开展目标导向的应用基础研究,为经济社会发展提供理论和技术支撑;
 

第三,根据计算机科学和软件技术发展的特殊规律,积极探索从原创成果到产业生态的发展模式,实现原始创新、产业需求和生态环境的相互驱动、融合发展,构建开源生态体系;
 

第四,坚持全球视野,探索全球引智的创新发展模式,创新人才培养机制,营造有利于原始创新的环境平台和文化氛围。