计算机科学与技术领域的变革与中国计算机事业的机遇窗口期-徐志伟_

计算机科学与技术领域的变革与中国计算机事业的机遇窗口期徐志伟中科院计算所[e-mail]CHNOLOGY讲者简介徐志伟，男，1956年出生，1987年获美国南加州大学博士学位。曾任中科院计算所副所长、曙光信息产业有限公司总工程师等职。研究领域：高性能计算机体系结构、网络计算科学。现任中科院计算所研究员、总工程师、学位评定委员会主席。担任JournalofComputerScienceandTechnology执行主编，IEEETransactionsonComputers、IEEETransactionsonServicesComputing、JournalofParallelandDistributedComputing等国际期刊编委。教材与科普著作：《ScalableParallelComputing》(McGraw-Hill)《操作系统原理、技术与编程》(机械)《网格计算技术》(电子)《电脑启示录》(清华)我们的学生是可爱的计算所例子卜东波对科学的热爱闻名全所蛋白质结构预测新算法，有效应对组合爆炸（200n1.66n），ProteinScience另一位作者许锦波（1996级硕）现任芝加哥大学助理教授。高翔和陈云霁（龙芯3号研制）IEEEHotchips国际会议“hottestpresentation”；IEEEMicro期刊专辑论文张同：残疾同学杨育波、施渊籍、郑辰恒：地震救灾过晓冰提要引子：姚期智老师的观点计算机学科的挑战与变革计算机科学与技术学科建设与教育的需求针对选择读研究生的同学几点建议姚期智老师的观点《中国计算机学会通讯》2009年第8期发表了姚期智教授的题为《志在中国计算机科学2020计划》的文章“中国要想在计算机科学领域创建世界一流成就，从现在起就只有10~15年的窗口期”也就是说，中国需要在2020~2025年以前实现跨越发展，才能跻身世界一流计算机科学研究行列并不是姚教授第一次表达他的危机感学术焦虑（AcademicAnxiety）为什么？《中国计算机学会通讯》2009年第9期“2020现象”计算机科学技术可能在10~15年之内出现变革中国IT市场可能在10~15年之内出现变革中国的“前沿距离”在缩短挑战1.市场似乎开始萎缩2.科技创新出现大障碍：2020现象3.学科出现边缘化趋势对学科建设和教育提出前所未有的挑战！计算机价值和市场开始饱和？20万亿美元5万亿美元2万亿美元20万亿美元2万亿美元5万亿美元计算机行业处于S曲线哪里?2010-20305~10%2000-200817%1990-200044%1981-199030%中国2010-20301~3%2000-20085.5%1980-2000近10%1960-1980双位数世界2010-20305~10%2000-200817%1990-200044%1981-199030%中国2010-20301~3%2000-20085.5%1980-2000近10%1960-1980双位数世界计算机市场（硬件、软件、服务）复合年均增长率（当年价格）数据来源：IDC、OEDC、CCID2020现象过去30年，计算机很多创新，但大部分是增量式延续性发展在基本原理、基础技术层面的突破很少（万维网是一个例外）今天计算机市场上的主要技术绝大部分都是30年以前发明的2020年前后，众多IT技术子领域会出现难以逾越的惯性发展屏障大规模集成电路客户端计算机高性能计算机软件网络存储高性能计算机面临严峻挑战世界第一系统速度（flop/s）计算所系统速度（flop/s）计算所系统软件代码行数计算所系统功耗（瓦）2020Exaflop/s每秒百亿亿次支持海量用户的互联网服务器系统软件：1亿行功耗：1亿瓦科学技术需求：降低功耗与软件复杂性一、二个数量级前沿距离中科院计算所历代计算机系统的启示学科出现边缘化趋势计算机专业就业形势依然很好计算机渗透到所有学科计算机专业“热门”降温计算机专业“知识”很快过时；没有基础知识计算机专业很难、很累；没有原理计算机专业很容易：没有门槛归根结底：“狭义工具论”的危害变革1970-2000与2010-2040：主要变化网络社会（TheNet）人机共生人-机-物三元世界（三元社会）计算机科学与技术研究对象和问题改变图灵算法科学网络科学（尤其是网络计算科学）摩尔定律网络效应学科：计算思维研究纵览：如JonKleinberg2010新书《Networks,Crowds,andMarkets》三元世界计算科学至2020年，数亿中国用户将在三元世界中工作生活，个体或群体活动涉及很多新型的计算过程目标：科学地刻画这些活动的计算模型以及计算理论可能需要突破基于图灵计算模型集中式假设、确定起始假设、机械执行假设、精确结果假设等，以利于人机物三元世界的计算问题研究如市场调度、机制设计、算法网络、万维网可计算性、进化现象、算法博弈论、基因表达、互联网服务组合、物联网自组织，新算法等等。例子：像莉丝科夫替代原则（LSP）那样的普适原理互联网服务的无缝替代CAP定理这样的新的不可能性结果，以避免误区各种小世界现象和涌现现象计算机系统可利用的局部性原理网络计算中的时间复杂度、空间复杂度能耗复杂度，目前甚至不能知道响应一个网络请求耗能多少劳动复杂度三元世界计算系统的Hennessey公式？Performance=Program/Time=1/(#InstructionsxCPIxCycleTime)云计算的原因是“Gilder观察”IanFoster’sKeynoteatICS09:ComputingOutsidetheBox普惠计算1995年2003年2020年计算透镜（RichardKarp,2008.6）PhaseNameMainCharacteristics(Computingisusedfor)INumericalAnalysisSolvingequationsthatmodelphysicalphenomenaIIComputationalScienceSimulationandvisualizationofphysicalworldIIIe-ScienceManagingmassiveexperimentaldataandcollaboratingviaNetIVComputationalLensComputingasauniversalwayofthinkingManyprocessesinnatural,engineeredandsocialsystemsarecomputationalinnature,inthattheyperforminformationtransformationNaturecomputes!Societycomputes!CDI五年研究计划指南,2008-2013FY2008FY2009FY2010FY2011FY2012$50M$100M$150M$200M$250M对教育的需求中国科学院计算技术研究所研究生毕业去向非学术界的需求日益增长去向2003-2008总计人数比例大学、研究所29733%国有企业/其他企业25228%党政机关/事业单位212%三资企业24227%出国读博/博士后799%国内读博/博士后202%合计911100%•从2003年的49%增长到2008年的60%中国科学院计算技术研究所硕士生毕业去向非学术界的需求日益增长去向2003-2008总计人数比例大学、研究所6213%国有企业/其他企业18338%党政机关/事业单位163%三资企业16634%出国读博/博士后5712%国内读博/博士后20%合计486100%•从2003年的67%增长到2008年的78%中国科学院计算技术研究所博士生毕业去向学术界比例基本稳定去向2003-2008六年总计人数比例大学、研究所23555%国有企业/其他企业6916%党政机关/事业单位51%三资企业7618%出国博士后225%国内博士后184%合计425100%•学术:非学术大致是65%:35%重新审视计算机科学基本问题计算机科学是研究计算机以及它们能干什么的一门学科。它研究抽象计算机的能力与局限，真实计算机的构造与特征，以及用于求解问题的数不清的计算机应用。涉及符号及其操作涉及多种抽象概念的创造和操作创造并研究算法创造各种人工结构，尤其是不受物理定律限制的结构利用并应对指数增长探索计算能力的基本极限关注与人类智能相关的复杂的、分析的、理性的活动NationalResearchCouncilCommitteeonFundamentalsofComputerScience,ComputerScience:ReflectionsontheField,TheNationalAcademiesPress,WashingtonD.C.,2004.《中华人民共和国学位条例》博士毕业生的学术水平要求（一）在本门学科上掌握坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识；（T字型人才）（二）具有独立从事科学研究工作的能力；（三）在科学或专门技术上做出创造性的成果。坚实宽广的面，才能适应社会变化；系统深入的专，才能满足用人单位需要的“有经验”最大的挑战是“独立工作能力”主动地定义问题、解决问题、克服困难历史经验什么是核心技术和创新？四种类别体系结构（architecture）比如：微内核（microkernel）与大内核（monolithic）系统抽象（abstractions）名字、进程、文件、虚拟地址空间（LTB、页、段）虚拟机、子程序、函数、对象、服务方法（methods,algorithms）解决冲突的指数回退算法、减小开销的系统旁路方法原理和规律（laws,rules,observations,insights）局部性现象、宽进严出原理、E2E原理、REST原理RFC1958历史经验：Unix工具集思想小的内核，很多add-on（驱动程序、命令、库）GNU/Linux/BIOSinLAMP少数几个简洁的、普适的、反复重用的、生命力长久的抽象（系统结构、概念：abstractions）Virtualaddressspace,process,device,file;shell,kernelandusermodes,schedulingmechanismsLinusTovalds:Ifyouknowthesesixthings,youknowUnix.[open,close,read,write,fork,exec]规律：worksetandlocality(spatial&temporal)历史经验：InternetInternet的重要原理（见RFC1958）无为而治：E2E（end-to-endargument）KISS（keepitsimple,stupid）宽进严出：tolerantoninput,strictonoutput少数几个简洁的、普适的、反复重用的、生命力长久的抽象与机制包交换TCP/IP协议栈Socket接口历史经验：WorldWideWebWeb的重要原理非集中：Webisadecentralizeddatastructure休养生息：REST（representationstatetransfer）少数几个简洁的、普适的、反复重用的、生命力长久的抽象与机制URLhypertextlinkHTTP协议Web服务器Web浏览器XXX同学例子独立地提问题、读文献、设计技术方案、做实验、分析结果独立工作不是孤立帮助工程项目的技术攻关、热心地为团队和师弟师妹解答问题、合作撰写学术论文、为国际会议和期刊评审投稿独立能力意味着他是团队的资产，而不是负担导师的作用