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关于前瞻性研究的一些思考 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=113146&do=blog&id=535874已有 368 次阅读 2012-2-9 22:24 |个人分类:文章转载|系统分类:科研笔记|关键词:计算机，前瞻性研究

下面内容节选自中国计算机学会通讯2012年第1期，全文题目是《切实加强前瞻性研究》。作者是李国杰，CCF名誉理事长，CCF会士。中国科学院计算技术研究所首席科学家，中国工程院院士。

关于前瞻性研究的一些思考

什么是前瞻性研究

关于前瞻性研究，全世界都没有明确的定义，国外讨论foresighted research 或forward-looking research 的文章也不多。科学院提倡三性研究（基础性、战略性、前瞻性），但这三性不是正交的领域，往往有重叠，前瞻性只是一个模糊的定性要求。将科学研究分成基础研究、应用研究和试验发展研究三大类已成为国际惯例。我国官方对“应用研究”的解释是：“为了确定基础研究成果可能的用途，或为达到预定目标采取的新方法（原理性）的探索。其成果形式以科学论文、专著、原理性模型或发明专利为主。”按这一定义，多数的前瞻研究应属于“应用研究”，少量重大目标导向的基础研究也应看成是前瞻研究。前瞻研究多半是竞争前的共性技术研究，往往会形成新的技术标准。不少科研人员把“应用研究”理解偏了，以为“应用研究”就是采用别人的核心技术做一些一般的推广应用。其实，应用研究的成果形式主要应是发明专利和原理性的模型。

在这篇报告中，我讲的前瞻性研究主要是指，为5-10年甚至更长的时间内可能形成一定规模的新产品（新产业）而进行的应用研究或目标导向的基础研究。所谓有一定规模包括三种情况：一是颠覆性创新，形成颠覆性产品（产业），取代现有产品；二是突破性创新，形成新产品（产业），开辟新的市场；三是换代创新，对现有产品和工艺有较大幅度的改进，形成换代产品或换代工艺。所谓加强前瞻性研究，是希望一部分（不是全部）有能力的科研人员改变目前跟踪别人做一些小打小闹、修修补补工作的习惯，而做一些对发展产业真正有价值的科研工作。研究型大学与国家科研机构应走在企业的前头。

信息技术发展模式要求开展前瞻性研究

信息领域特别看重前瞻性研究是其发展模式使然。信息技术发展的轨迹并不是一条平稳的连续曲线，而是呈现阶跃式发展的特征。在信息领域，短则10-15年，长则20-30年，信息技术会出现一次不连续的突变。如数字相机替代传统胶卷相机，DVD光盘播放器替代VHS录像机，数字高清电视替代模拟电视，互联网替代传统电信网，U盘替代软盘等等。在阶梯型跃迁之前，如果没有前瞻性技术储备甚至没有技术前瞻的眼光，往往会做出糊涂的决策。我国就曾在老技术快被淘汰时还重点投入建设CRT显像管电视、录像机、胶卷生产线等，浪费了大量资金。

开展前瞻性研究是获得突破性、颠覆性创新的必要条件

企业新产品新服务的开发大多属于渐进性创新，渐进性创新的积累效应很大。对整个国家而言，不能轻视或放弃渐进性创新。突破性创新是“知识积累、好运、天赋”带来的结果，往往不可预测。颠覆性创新往往不以向现有市场的消费者提供更好的产品为目标，导致原有市场或技术的中断。相反地，它一开始往往引入与现有的产品相比尚不够好的产品和服务，其颠覆并重新定义的是新的发展轨迹。发展中国家在旧一代技术上投资少，退出成本较小，因而更有可能在新一代技术发展的早期，以较小的代价进入一个高起点的技术领域，并取得跨越式的发展。

我国信息领域习惯的科研模式是，为改进现有技术提出一个新想法（新算法），设计一个新系统（新结构、新协议），然后与原有技术或其他学者提出的新方法比性能（或者与别人比其它参数），性能（参数）有提高就认为是科研成果。前瞻性研究的目标往往是解决现有技术不能解决的问题或现有产品未涉及的市场，因此重点不是与现有技术比性能。前瞻研究的主要目的是用原型系统证明新技术的潜力。新原理、新方法刚提出时往往性能不高，有很多地方不完善，但只要有巨大的发展潜力（比如性价比，能效提高一个数量级以上），许多公司介入后，性能等问题都会得到解决。

华为总裁任正非对前瞻性研究有十分深刻的理解。他在2005年就讲过：“将来的市场竞争就是知识产权（IPR）竞争，没有核心IPR的国家永远不会成为工业强国。我们国家提出要自主创新，这个口号是对的。但是我们太急功近利，也会丧失我们的竞争空间。华为公司现在每一天产生三项专利，但是我们还没有一项基本专利，只有少量几项准基本专利。基本专利决定了企业在市场上的基本地位。应用型的基本专利的形成大概需要7~8年，理论型的技术专利需要二三十年。”作为一个企业家，能如此重视基本专利和前瞻性研究，真是难能可贵。华为的经验告诉我们，要获得突破性创新，在市场上有足够的发言权，必须认认真真开展前瞻性研究，舍此别无他途。

建立自主可控的新平台需要前瞻性研究

信息技术发展到今天，技术竞争实际上已演变为平台竞争。所谓“平台”，就是一批被市场承认的（事实上的）软硬件接口标准和一层层软件栈。我国信息领域大大小小的企业中，聪明人很多，但目前只能做添砖加瓦的渐进式开发，其原因就是“平台依赖”。市场上已占主流的事实上的技术标准往往基于收费的专利。我国从事前瞻性研究的一个目的就是要摆脱这些标准和平台，建立自主可控的新平台。为建立TD、AVS、闪联等新标准而做的科研工作是我国典型的前瞻性研究，但这些标准的推广应用都步履艰难。除了政策层面的原因之外，我国在前瞻性研究上投入与发力不够是主要原因。应该认认真真地吸取教训，提前在可能形成重大标准的前瞻性研究上狠下功夫。

开展前瞻性研究需要胆识和气魄

我国为什么在前瞻性研究方面落后？主要是还没有形成前瞻性研究的文化氛围，还不善于做另辟蹊径的前瞻性研究。我们的研究多数是别人出题，我们找答案，找题目和找答案有根本性的思维差异。开展前瞻性研究不但需要技术积累，还需要胆识与气魄。坦率地讲，我国当代科技人员的胆识与气魄已普遍不如建国初期的科技人员，骨头没有他们硬，我们这群人有集体“缺钙”的倾向*。建国初期，中国那么弱，投入那么少，都敢于自己做两弹一星。近10年来，由于科技评价制度强调“数字化”考评，引导科研人员“只见树木，不见森林”，习惯于对技术细节的改进而缺乏判断宏观市场和洞察未来的眼力。前瞻性研究的评价标准和渐进式研究不一样。目前我国信息领域对科研成果的价值评价主要是近期经济效益（最多看5年），缺乏对引导新科研方向的评价导向。

前瞻度的把握

研究工作并不是越超前越好，关键要踩在点上。这就如同足球赛，前锋的本事是要刚好跑到接传球的位置，不能超前，也不能越位。信息技术发展史上有很多因技术超前而失败的案例：例如日本的五代机、Motorola的铱星、欧洲的计算机自动编程等等。失败主要在对于未来市场和技术成熟度的判断。而Apple公司的前瞻性研究做得非常成功，其奥妙在于乔布斯对潜在市场的过人“嗅觉”和对产业链整合的明智判断。华为公司认为，在产品技术创新上要保持技术领先，但只能是领先竞争对手半步，领先三步就会成为“先烈”。前瞻性研究不是只给出一个发展方向的定位判断，而是要做出产品或新系统的原型，对同行和企业有足够的说服力和吸引力。2005年，我曾提出能力服务器的研究方向，提出“把计算能力、存储能力、通信能力放在后台上，把信息化搞得像供电一样，用户需要什么能力，就提供什么能力”，计算所称为“CPU上网，存储器上网”。这实际上就是云计算的理念，但缺乏实际的演示系统，对外界的引领效果有限。

联合起来做大事

国际上对开展共性技术前瞻研究的政策各不相同。美国比较强调企业间的竞争。1987年，美国开始先进电视（ATV）技术的研究工作。最早有几十家公司参与，最终美国通用仪器公司（GI）开发出数字电视，成为新的标准的制定者，也迫使日本和欧洲放弃MUSE和MAC模拟制式电视。日本和欧洲鼓励竞争前的技术合作，由政府出面组织联合技术攻关。欧洲开发第二代移动通信技术，从众多移动通信公司的技术方案中迅速聚焦，成功形成GSM全球通信标准。而美国四套不同的通信标准互相竞争，政府迟迟不能决定选择哪一套标准，结果在与欧洲人的竞争中失败。我国的前瞻性研究要强调联合起来做大事。目前国家支持的CPU指令系统有5家以上，手机操作系统也有两家以上，如果政府的作用只是在“摆平”各家，可能一件大事也做不成。

中科院计算所的前瞻研究

对前瞻性研究的理解只有通过实践才能逐步加深，下面以中科院计算所正在进行的几个前瞻性研究课题为例来说明我们的认识。

高通量数据处理器和高通量计算机

几十年来，计算机界追求的主要目标是算得快，主要是加减乘除等科学计算，而今后我们经常遇到的“计算”的主要特点是大量并发的用户请求、海量的数据，单位时间内要处理尽可能多的线程或任务。我们把这一类计算称为高通量计算。它与高性能计算在负载、性能目标、并行度等方面存在很大差异，现有的计算机系统结构不适合高通量计算，需要寻找新的体系结构。计算所承担的973项目就是致力于高通量计算机的构建原理和支撑技术研究。我们从定义高通量计算机的性能评价指标（Benchmark）入手，通过仿真、构建原型芯片与系统深入开展高通量计算机的前瞻性研究，争取到2020年研制出可实用的10亿级线程（包括软线程）并发的高通量计算机。这项前瞻性研究要从指令系统做起，处理器和计算机系统都需要突破性的创新。如果研究目标能实现，将成为计算所对计算机技术发展的历史性贡献。

可塑微处理器

芯片上晶体管的数量已发展到十亿个以上，但实际运行时大部分晶体管并不工作，被学术界称为“暗硅（Dark silicon）”问题。由于功耗等限制，最新的研究结果表明，采用常规的多核处理器技术路线，到2020年CPU性能最多提高8倍。另一方面，随着物联网的推广应用，计算机应用的范围越来越广。如果把PC级的应用种类比喻成哺乳动物（2万种）、手机的应用种类比喻成鱼类（3万种），则物联网的应用种类就相当于昆虫（100万种）。我们不可能为每一种应用开发一款ASIC芯片。但通用CPU的性能常常比专用ASIC芯片低100倍以上。集成电路的发展趋势之一是如何通过对通用芯片的资源重构和配置，使之达到接近ASIC的性能，我们称为解决“昆虫悖论”问题。国际上目前的做法是通过对可重构设计做优化模拟后，再进行流片。计算所正在开展的“可重塑芯片（Elastic Processor）”研究是对解决上述挑战问题的大胆探索。目标是通过软件（不需再流片）动态重塑指令集和数据通路，优化匹配应用，达到高效能的目标。与今天的主流芯片相比，争取2020年的可重塑处理器的性能功耗比提升1000倍。

未来互联网

现在的互联网在可扩展性、动态性、自适应性等方面面临严重的挑战。国际上许多国家已在开展未来网络（后IP网）研究，国内目前开展的下一代互联网研究主要是IPv6的推广应用，真正做替代IP协议的未来网络研究的团队不多。计算所将未来网络作为网络科学技术研究的主要方向，重点研究未来互联网的体系结构与机制，过去20年互联网的成功主要是坚持了IP协议做“细腰”。IP协议可以放弃，但“细腰”原则不能放弃。由于网络逐渐成为信息和服务的互联而不仅仅是计算机的互联，我们试图探索以信息和服务的标识做互联网新的“细腰”。为了验证新的颠覆性的协议，计算所也研制了可编程虚拟化路由器平台，并积极努力创建具有一定规模、虚拟化、可编程、可测、联邦可扩展的国家网络实验基础平台，为未来网络研究与开发提供创新的验证环境。未来网络的研究成果也许10年后才能大量推广，但网络技术的未来太重要了，值得一搏。

（本文根据2011 CCF中国计算机大会（CNCC）报告整理而成）

本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-113146-535874.html

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