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| 關于低成本計算、虛擬化、網格的五個問題 |
更新時間：2007-9-27 16:45:52
（ 編輯：映君 ）
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本文從計算機本質特征出發，試圖采用問答方式，將有關網格技術、虛擬化技術、低成本計算的五個問題明晰化，并指出低成本計算提供了豐富的創新機會。
問題1：計算機學科的本質特征是什么?
計算機學科整體上講是一門工程學科，具有工程學科的共性本質：在限制條件下求最優解(國際上的表述有三個關鍵詞：“problem solving”“constraints”、“optimal”)。因此，計算機科學技術這門學科的本質特征可表述為：在限制條件下設計優化的計算機系統和應用。
在計算機體系結構領域，這種特征尤其明顯。比如，歸納并選擇正確的限制一直是計算機體系結構研究的重點內容。有些學者甚至說，一類體系結構就是一組精確定義的限制。
這是計算機學科的主線，也是我們培養創新人才的重點。比如，要培養研究生同學的創新能力，重點應該是：1. 歸納和抽象限制條件的能力，2. 解決問題的能力，3. 優化解題方法的能力。目前一些同學的學位論文初稿中，比較普遍地存在這三個方面的問題。文稿往往寫得像一篇工作報告，花了大量篇幅講自己的工作過程，反而沒有清楚地陳述論文解決了什么樣的科學問題和技術問題，結果如何，評價效果如何。對限制條件往往缺乏明晰的界定，從而模糊了研究問題以及論文結論的適用范圍。另一個弱點是解題方法缺乏優化的“道道”、“訣竅”，比較隨意(ad hoc)，難以突出論文的創新點。
問題2：低成本計算是不是低科技?
在設計計算機系統和應用的限制條件中，一般而言，成本都是一個重要的限制。近年來，在探索中國特色信息化的過程中，中科院計算所和國內同行提出了低成本計算(或低成本信息化)的思路。科技部863計劃在2006年已經立項支持低成本計算機系統研制工作。計算所提出的“八億龍網”設想，其目標是在2020年以前，讓八億用戶能夠直接使用計算機系統和應用，使信息技術惠及社會大眾。
但是，一些同行和專家提出了一些疑問：低成本是否沒有多大科學技術挑戰?是否應該由企業去做?摩爾定律是否會自動地降低成本?
事實上，降低成本一直是計算機創新的一條主要思路。計算機體系結構領域中，引發產業換代的幾個重要創新，如IBM 360、個人計算機(PC)、RISC技術、RAID技術，降低成本是重要的目標和限制條件。
今天，盤陣的全球市場已達百億美元。盤陣的創新技術是RAID，即“低成本磁盤冗余陣列”，其核心思想就是揚棄昂貴的單一大硬盤技術。
計算機成本高的一個重要原因是復雜性高。降低CPU的復雜性，尤其是指令系統的龐雜性，就是RISC體系結構的基本思想。這一波的創新歸納了幾個重要的體系結構設計的限制，如單拍運算指令、存取指令結構、哈佛結構等，從而用簡約化的指令集和指令流水線就能使CPI逼近1，即最優的性能。
封閉式結構、緊耦合加上短期市場利益驅動的增量式創新，往往導致人為的異構性，這使得計算機系統不能重用部件和應用，不能方便地利用技術進步和應用進步，是復雜性的一個主要原因。60年代的IBM 360/370系統，采用了“計算機家族”、“計算機體系結構”、“動態尋址”、“虛擬化”幾大發明，大大降低了低水平重復的工作量，從而降低了大型機的開發成本與使用成本。這項工作是計算機系統創新史上的一個里程碑。
歷史上低成本計算的最明顯的里程碑大概是個人計算機(PC，也稱為微機)的發明。我們今天使用的微機中的核心技術，如交互式計算、圖形界面、以太網、鼠標、面向對象程序設計(Smalltalk)等，在1972年的Alto微機中就已經出現了。可惜的是，由于種種原因，Alto微機技術未能立即流行，微機發展的軌跡反而是牛郎星、蘋果機和IBM PC。這當中的歷史經驗教訓值得我們仔細分析。
今天，我們正在創造面向2006-2020年市場的低成本計算系統。我們的思想不應局限于尼葛萊龐帝的“100美元計算機”概念及其組合低成本部件的思路，我們尤其需要直面技術挑戰，探索RISC、RAID、IBM 360、PC這樣的顛覆性發明，用創新技術降低成本。
未來的低成本系統并不必然是現有系統的一個簡化版、廉價版。它們在一些方面(如支持新型使用模式)，甚至會優于今天的“高成本”系統。比如，Alto微機在支持交互式計算、圖形界面方面就要遠遠優于當時的大型機。
問題3：低成本計算的挑戰和機遇是什么?
問題2當中提到的，面向2006-2020市場的技術挑戰和創新機會是什么呢?
最大的挑戰可能是我們對成本的研究很不夠，遠不如針對性能的研究。我們對計算機系統和應用的成本定義和構成、成本涉及什么限制條件，以及優化成本的原理和方法都還所知甚少。比如，計算機系統成本的定義已有出廠成本、購買價格、總擁有成本等，但這些指標并不全面，往往是商業性的指標，而非技術、科學的度量。我們也缺乏研究成本的實驗手段，還沒有形成系統的測試成本的基準集和度量。
因此，從學術上講，一個重要的創新機會就是研究并歸納出有關成本的度量、基準、原理。在成本方面，我們還沒有CPI、flop/s這樣的度量，也沒有SPEC、TPC、Linpack、HPC Challenge這樣的基準測試程序。在提高性能的創新研究中，我們歸納并使用了局部性原理和并行性原理。在優化成本的過程中，除了摩爾定律，我們還能利用別的原理嗎?就拿局部性原理來說，過去我們關注兩種局部性，即數據/指令/地址的時間局部性和空間局部性。優化成本的目標需要新的局部性原理嗎?
另一個挑戰與機會就是研究部件成本與系統成本的關系。計算機的很多硬件部件的發展遵循摩爾定律，但軟件和服務則不然。如何利用摩爾定律帶來的部件進步，設計低成本的系統(以及應用和服務)?這不是一個簡單的問題，需要洞察未來，living in the future，同時又要務實。1972年，當Xerox PARC創造Alto微機的時候，研究人員為了有效地支持交互計算和圖形界面，發明了frame buffer技術。盡管這樣做意味著將當時最貴的資源——內存——的90%用于顯示，但Alto的設計者有兩個判斷：1. 摩爾定律將使未來的內存資源非常豐富，2. 顯示是瓶頸。第一臺Alto微機的成本大約是7.5-10萬美元。今天的微機300美元就能買到。
今后20年，什么是低成本計算機系統和應用的瓶頸?什么是它們所需要的frame buffer技術?這些都是挑戰和機會。
我個人認為，低成本計算機系統和應用的最大瓶頸是緊耦合(fitting)，尤其是分布式系統中的緊耦合。
問題4：古老的虛擬化技術為什么又熱起來了?它與低成本計算有什么關系?
虛擬化是1960-1970年代發明的重要技術。最近幾年來，虛擬化技術研究又變得非常活躍，從網絡虛擬化(如GENI)、計算機硬件虛擬化(如XEN)、語言虛擬機(如Java Virtual Machine)到分布式系統虛擬化(如網格技術、PlanetLab)。
第一波虛擬化技術的主要目標是為了有效地共享資源。這一波的虛擬化技術的主要目標則是擺脫緊耦合。產品是多個部件構成的系統。在早期的作坊式生產中，人們往往采用一種稱為“緊耦合”(fitting)的方式構造部件。比如，在生產螺絲和螺母的過程中，人們往往首先制造出螺母，再對著螺母制造出剛好配得上的螺絲。
在更加先進的社會化大生產過程中，這種方式被標準零部件方式取代了。人們制定出螺絲和螺母的開放的技術標準，以及相關的允許誤差范圍。這樣一來，多個廠商可以按照技術標準，并行地、獨立地制造螺絲和螺母，擺脫了螺絲廠商和螺母廠商的相互依賴。各個廠商可以在標準允許的范圍內獨立地創新，從而鼓勵競爭，打破了壟斷，提高了生產效率和創新效率。
1926年，福特汽車公司的創始人亨利 福特(Henry Ford)將這種特征總結為一句流傳至今的名言：“社會化大生產中不存在緊耦合”(There is no fitting in mass production)。
21世紀初的信息產業還沒有達到1920年代汽車行業的這種松耦合狀態。我們在開發一個硬件部件、驅動程序、應用程序時，往往必須考慮要與操作系統、處理器、以及別的應用程序耦合。
問題5：網格技術進展如何?網格與低成本計算有什么關系?
盡管批評不斷，最近幾年來，網格技術取得了一些實質性的進展。第一是企業內部生產性網格應用已經比較普遍，尤其是在金融行業。這類應用往往被企業看成是核心競爭力的一部分，很少披露。印度的Infosys公司，近兩年組建了40多人的網格研究隊伍，且仍在快速增長。
第二是美、日、歐政府已經將網格看成是提高國家創新能力的本質的下一代信息基礎設施，在2006-2010年期間繼續投入大量科研經費(美國6億美元、歐盟約6.5億歐元、日本約十億美元[含高性能計算機研制])。
第三是網格與服務計算相融合，盡管帶來了一些混亂和爭議，但進展比較順利。
第四是網格技術已經擺脫了中間件的定勢，與應用和系統的交融加深。比如，各大計算機廠商提出了各自的面向網格的服務器技術，其中服務器虛擬化以及功用計算(utility computing)尤為突出。歐盟啟動了XtreemOS項目，研究開發一個Linux層面的網格操作系統(2006-2009，總經費為1400萬歐元)。中科院計算所加入了由法國INRIA牽頭的國際團隊承擔該項目。一些應用軟件廠商，從Maple到SAP，都在將自己的應用軟件往網格平臺上移植。
在兩個方面，網格界進展比較遲緩。一是網格技術本身的科學研究進展不大，尤其是與網絡科學、Web science相比更是如此。國外科學家批評，過去幾年的網格研究開發太重眼前利益、太重工程開發，少研究，更少突破。另一類批評則是普及太慢。當前，國外網格研究的用戶群主要是科學家，缺少Web 2.0的面向社會大眾的活力。
21世紀初新興的虛擬化技術和網格技術試圖消除問題4論及的緊耦合和依賴，降低成本。網格技術集中于在分布式系統、網絡計算系統中實現松耦合，同時要保持高性能、高效率、安全性。
結 論
由于計算機產業從公眾認識到全民普及的歷史性市場轉折，惠及大眾的低成本計算是21世紀計算機領域的一個主要研究方向。計算機系統和應用的成本瓶頸是緊耦合，虛擬化和網格試圖消除緊耦合和依賴，是實現低成本計算的關鍵技術。計算機歷史上的幾個顛覆性創新，如RISC、RAID、IBM 360、PC，都大大降低了計算機系統的成本。計算所倡導的低成本計算，最需要研究的就是這樣的顛覆性技術，用創新降低成本。與歷史上低成本計算的工作相比，21世紀的低成本計算在研究問題、限制條件、優化原理等方面都為計算機這門工程學科提供了豐富的創新機會。
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文章來源：IT專家網
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