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梅宏院士:软件定义的未来——万物皆可互联,一切均可编程

发布时间:2018-01-31 15:52:14

导读:10月26日-10月28日 2017中国计算机大会(CNCC 2017)在福州隆重召开。中科院院士,北京理工大学副校长梅宏教授作为大会开幕式后的第二位出场嘉宾带来了题目为《软件定义一切——机遇和挑战》的现场报告。

 

结合当下的人工智能热潮,他从软件从业者的视角,将计算机软件发展历程分为三个阶段,并分别总结概括了各个阶段的大体体征以及应用领域。第一个阶段是1946—1975年,软硬一体化阶段;第二个阶段是1975年以后,软件的产品化、产业化阶段;第三个阶段是1995年以后,软件的网络化、服务化阶段。

 

以下是梅宏教授的会场实录,内容有调整和编辑。

 

无处不在的软件

“软件定义一切”并不是我说的,我要是这么说可能把咱们今天在座的很多同行都给得罪了。我是想借这个题目讲一讲软件的三个阶段。第一个题目我想大家都认可,软件已经无处不在,第二个题目是软件定义的时代。我们正在进入一个新的时代,刚刚过去的十九大讲是中华民族复兴的时代,我是从信息技术对人类社会的改造这个角度来谈这个新时代,不同的人从不同的角度也给了这个时代不同的赋名。从基础设施视角来看,这是一个互联网+时代;从计算模式视角来看,这是一个云计算时代;从信息资源视角来看,这是一个大数据时代;从信息应用视角来看,这是智能化时代。我想说在这些里面有一项很重要的技术,那就是软件。某种意义上来说,我们这个时代就是一个软件定义的时代。

软件产业呈持续增长态势。从国内来看,国家工信部公布的2012年到2016年的五年数据中,软件和信息技术服务业始终保持高增长,在电子信息行业的比重也在不断上升。2008年金融危机开始以后,很多行业都在下滑,而信息技术行业还在保持增长,而软件行业的增长又是远远高于信息技术其他的比重。从国际上来看,全球有19个国家软件支出占国内生产总值的比重超过0.5%,其中美国已经超过1%。这个产业规模一直在保持增长。第二个软件从业的人数,2014年全球ICT技术工人约为2900万人,其中专业软件开发人员约1100万人。国家工信部给出的近五年数据中,软件从业人数也在逐年增长,2016年达到576万人。但如果换一个视角,从开源社区来看,比如程序员经常去的一个软件问答网站stack overflow,注册3200万人,其中超过2500万人是多次访问。再比如CSDN,注册用户达2500万,活跃用户超过800万。它们普遍都要比工信部公布的数据高,这说明和软件相关的从业人数有很多。

回顾过去计算机软件发展,我认为大概可以分为三个阶段。第一个是1946到1975中期,是软硬一体化阶段。第二个是1975年以后,软件产品化、产业化阶段;第三个是1995年以后,软件的网络化、服务化阶段。  

我想讲一讲这三个阶段的大体特征。在软硬一体化阶段,也就是计算机刚出现的时候,是没有软件的,都是以程序实现的,大体上展现方式的是机器语言,汇编语言。早期应用领域以破解密码,军事领域的计算为主。60年代初期,开始出现“软件”一词,融合程序和文档为一体,作为独立的形态从硬件分离出来,以IBM 360系列机为代表(尽管还是和硬件捆版一起销售),也逐渐形成了计算机学科和程序员行业。它的展性形式是高级程序语言+文档,应用领域主要是商业计算和其他科学计算领域。软件产品化、产业化阶段,以Microsoft和Oracle的出现,标志着软件开始成为一个独立产业。PC的广泛应用和软件产品化催生了人类历史上信息化的第一波浪潮,其主要特征即以单机应用为特征的数字化阶段。紧接着就出现了办公软件,彻底改变了人类传统的办公行为,微软office迄今依然是微软标志性产品之一。九十年代中期开始 ,软件进入网络化,服务化阶段。互联网推动了软件从单机向网络计算环境的延伸,带来了信息化的第二波浪潮 ,其基本特征是以联网应用为特征的网络化阶段。

做软件的人总是希望把互联网作为平台,来研究软件。软件的形式也因互联网发生变化,形态从传统的拷贝行为变为软件服务,等到后期移动互联网的产生,促成APP的诞生,整个软件模式都发生了变化。应用领域已经渗透到社会经济生活中的方方面面。

 

互联网环境下软件呈现新特性和新特征

我们中国学者自己定义一个词:网构软件。指的就是面向互联网计算的软件新范型。这些新范型是什么,总结有几个性质,实体的自主性,实体对环境的情景感知,实体之间的自主协同,实体的在线演化,以及可信性需求。简单来说,软件呈现网络化体系结构,基于网络进行开发,通过网络交付分发并提供服务,这就是软件的服务化。软件和硬件相比,同样都作为功能性产品,但软件这种工具和互联网结合就能够实现一种真正的服务化。紧接着移动互联网的产生,又产生了一种新的模式,这就是APP。苹果商店拥有300万+个APP,累计下载量超过1500亿次。这个时候创造了一种新的模式,客户端要和服务器端合起来完成一件任务,他也是一种拷贝,不过是一种新的拷贝方式。互联网深刻改变了人类社会和生活模式,而互联网的核心价值是连接,软件是实现互联网核心价值的重要使能技术。硬件连接虽然很重要,但最终的灵活连接还要靠软件。

最终我引用两位名人的话,NetScape创始人Marc Andreessen说:Software eats the world! 软件吞噬世界。另一位是C++语言发明人,Bjarne Stroustrup说:人类文明运行在软件之上。

 

软件定义的时代

第二部分我讲的是软件定义的时代。互联网及其延伸,正在导向我们走在一个新的模式,人-机-物的融合。信息技术的网络化、泛在化、智能化趋势蕴含了人-机-物和谐发展的愿景。当前,正在兴起信息化的第三波浪潮,即以数据的深度挖掘与融合应用为特征的智慧化阶段。这个阶段我命名为智能化阶段,在这个新的环境下,人机物融合环境下的信息基础设施是海量的资源。第二来看他的应用,人机物融合环境下的新型应用:需求形态多样。面对海量资源和应用需求形态多样的这两个特征,人机物融合需要新的平台环境,如何凝练应用共性,如何有效管理资源这是这个平台的基本要求。在这样的平台之下,由于应用需求变化频繁和应用场景动态多变,这个平台能否实现按需灵活定制?

什么是软件定义?软件定义的真正落地,还是在云计算平台里面的应用。2011年前后,OpenFlow被用于云计算平台中进行网络管理,并被广泛接受。在15年的时候,Gartner战略报告首次出现SDN(软件定义),SDN重新“定义”了传统的网络架构甚至通信产业。

软件定义网络的技术原理是通过一组API对网络设备进行任意的编程从而实现新型的网络协议、拓扑架构而不需改动网络设备本身。

计算机的操作系统是什么,是管理硬件资源、控制程序运行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件,即向上提供公共服务,向下管理资源。如果从操作系统视角来看软件定义,操作系统是软件定义的“计算机”,从软件研究者的视角,操作系统体现了“软件定义”之集大成。

在我的理解看来,软件定义的技术本质就是把过去的一体化硬件设施打破,基础硬件及其虚拟化提供标准化的基本功能,然后通过管控软件控制基本功能,提供更开放、灵活、智能的管控服务。

软件定义的技术本质:硬件资源虚拟化,管理功能可编程。硬件资源抽象为虚拟资源,然后用系统软件对虚拟资源管理和调度。就是在硬件资源虚拟化的基础上,用户可编写应用程序,满足访问资源的多样性的需求。大家现在可以看到软件定义出现了各种各样的延伸,软件定义的存储,软件定义的计算,软件定义的环境,软件定义的数据中心等等。但所有架构都跳不出操作系统的三层架构,就是说软件平台的三层架构,这些SDX均符合“硬件资源虚拟化”与“管理任务可编程”的技术原理。

这就是我对软件定义的理解。

 

软件定义带来的机遇和挑战是什么

我们可以看到的机遇就是软件定义一切。定义一切,人-机-物互联是我们追求的目标。我们是不是最终能做到万物皆可互联,一切均可编程呢?这就是软件定义给未来世界达成的目标,也就是我们的机遇所在。我们看到软件定义的本身进一步泛化和延伸,我们要软件定义我们的物理世界,再进入我们的城市、我们的行业、我们的校园,从单一的资源管控到人、机、物融合环境下对各种资源全方位的互联互通。这是我们今后努力的方向。

人工智能是当今的热潮,但我个人的观点还是认为处于数据驱动的算法智能阶段,软件平台如何提供“通用”的智能应用支撑,并允许按需深度定制?是否会出现面对AI的操作系统?我想这个也是可以通过平台的方式去实现。软件技术在新一轮革命技术中毫无疑问是核心竞争力之一,新一轮制造革命需要实现“硬件”、知识和工艺流程的软件化,进而实现软件的平台化,本质上即“软件定义”。随着人、机、物的融合,软件定义的挑战可以分为这几个方面:体系结构设计决策,系统质量,系统安全,更轻量的虚拟化,从原有系统到软件定义系统平滑过渡,高度自适应智能软件平台。

体系结构设计决策,包括比如如何确定受管元素的合理“粒度”和“层次”?如何界定软、硬件的功能划分并组装、配置相应元素?等。

系统的质量,需要解决的问题有如何合理平衡管理灵活性和“虚拟化”后的性能损耗(与直接访问原系统相比)?如何降低“软件实现”的复杂性和故障率,有效定位故障以保障可靠性?等等。

系统安全,对硬件资源管理可编程带来开放性、灵活性的同时,也可能会带来更多的安全隐患。对于工业控制等安全攸关领域来说,可能会带来难以难以估量的损失。

更轻量的虚拟化。大量的新设备产生,虚拟化实现了对硬件资源的软化,是软件定义的基础技术,现有以虚拟机为单位的技术过于重载,难以满足性能和实时性要求。

原有系统到软件定义系统平滑过渡。如何将原有系统平滑过渡到软件定义系统?通过对已有的资源进行大幅度的改造,我们需要安装新的硬件,需要做新的软件管理系统,以及面临的人力,时间,经济,风控等因素。这个平滑过渡也需要合理的方案,否则很难做成这样的事情。

高度自适应软件平台。从软件人追求的目标来看,我们想追求一种更为高度自适应的智能软件平台。现在平台方式是以硬件资源为中心的,如果基础设施层发生变化,软件平台就要发生改变,改完之后,上面的应用也可能发生改变。我们追求的理想方式是,软件平台具有预测和管理未来硬件资源变化的能力。