Meta OS超級作業系統功能示意圖
透明計算擴展馮·諾依曼結構的原理示意圖
張堯學及其團隊（楊燕飛 攝）
一個由中國科學家提出、定義、設計並實現的計算機領域的原創成果斬獲了我國基礎研究「桂冠」——2014年度國家自然科學獎一等獎。這就是被國外同行稱為「先於雲計算、包含雲計算」的網絡計算理論及模式——「透明計算」。清華大學教授、中南大學校長、中國工程院院士張堯學和他的兩個研究團隊通過潛心研究，20年磨一劍，把理論創新與普通用戶的需求相結合，創造了首個由中國推動的計算技術。
別了，馮·諾依曼
半個多世紀以來，馮·諾依曼的名字被IT人奉為圭臬。這位美國科學家以經典的單機存儲式體系結構，奠定了現代計算機的基礎，長期佔據計算機主流。然而，隨著網際網路技術的高速發展和大數據時代的來臨，馮·諾依曼結構的局限性日益凸顯，產生了網絡安全性低、用戶使用複雜、產業鏈受制於人等一系列問題。
「現在的計算機體系結構是單機的，在單機上發展越多，作業系統就會越來越龐大和複雜，不可避免地會出現很多漏洞。」據張堯學介紹。進入上世紀70年代以後，伴隨著區域網的發展，計算機已逐步進入網絡計算階段，但計算機之間的互聯主要是靠協議，理論基礎並沒有大突破。
如何突破馮·諾依曼結構的束縛，擁有安全、高效的「中國」標籤的自主智慧財產權成果？這個問題不僅關係到計算機技術的未來，也成為關係國家和社會發展的重大課題。
被張堯學稱為「運氣」的透明計算原創成果，因對馮·諾依曼結構作出的革命性改進備受國內外關注。實際上，相關工作始於1991年。這一年，在清華大學任教的張堯學開始致力於計算機體系結構與計算模式的創新。7年後，他申請的國家「863」項目獲得成功，並開發出國內首臺網絡計算機（NPC）。
彼時，網際網路才剛剛普及，中國接入網際網路尚不到5年，IT界還普遍處於作業系統為王的「微軟時代」，敏銳的張堯學已意識到網絡對計算機本身帶來的深刻影響。在把應用軟體放到伺服器上之後，他又開始嘗試把作業系統從原本已十分精簡的終端上拿掉，提出了沒有作業系統的計算模式。
按馮·諾依曼的經典設計，數據和程序都不加區別地存放在同一臺計算機的存儲器中，被CPU調用執行，形成晶片層、接口層、作業系統、軟體應用以及網絡層的嚴格等級結構。沒有作業系統的計算機難以想像，不僅計算機的處理模式是串行的，而且網絡也像「雲端」一樣暴露在外層。
2004年，張堯學正式提出「透明計算」的思想。其核心是將數據存儲、計算與管理相分離，並確立了跨終端、跨平臺的「雙跨」原則和「按需服務」的理念。這一體系的確立比國外「雲計算」概念的提出早了整整3年。
針對開放與安全這一對看似「悖論」的矛盾，張堯學團隊提出了一個大膽的改進：將網絡互連平臺由較高的網絡層下降到晶片和作業系統之間的接口層。這一改變不僅徹底打開了被國外廠商控制的晶片與作業系統間的「黑匣子」，由於在接口層設計了保護程序，也使上層軟體系統受攻擊和安全漏洞威脅的風險大大降低。
學術界認為，這種從計算機系統底層尋求安全保護的方法創新地改變了計算機領域近70年的固有思維和產品結構模式，理論上可防禦所有病毒對計算機系統的攻擊，使用戶放心使用各種網絡服務，全面提升計算機安全級別。
再進一步，研究團隊將計算機總線擴展為網線，將單機串行處理擴展到多機並行處理，實現了對馮·諾依曼結構的「時空擴展」。至此，一個適應網絡時代的新體系結構初具雛形。
中國學者的工作引起了主流計算機科學界的密切關注，國際上目前已有30多所大學和科研機構對該領域開展跟蹤研究。美國計算機學會會士（ACM Fellow）Marshall C.Yovits將透明計算稱為「張氏協議綜合法」；而另一位ACM Fellow，對等網絡創始人之一、美國卡耐基梅隆大學計算機系教授張輝更是大膽預測：透明計算將取代已控制計算機系統思想和實踐至少60年之久的傳統馮·諾依曼結構。
中國「超級作業系統」
把作業系統從終端上拿掉後，用戶怎麼操作和使用計算機呢？張堯學定義和提出了一個名為Meta OS的「超級作業系統」。簡言之，就是「管理作業系統的作業系統」。
早在上世紀90年代初，張堯學就注意到，為了趕潮流或升級換代，人們每年都會投入很大一筆錢更換終端和升級應用。「如果說我們有臺機器不用升級，能直接將新的應用從PC端獲得的話，不就沒必要花這筆費用了？」他這樣自問。
當網絡和移動終端普及後，新的問題又來了。「比如蘋果手機，它就是一個封閉系統。如果你要使用中國移動平臺上的軟體，現在肯定沒法用。而我們成果的意義就在於能夠打破兩個系統的限制，實現兩者所開發軟體的自由使用。」
在張堯學看來，不能指導實踐的理論必然是空洞的。事實上，目睹軟硬體相互捆綁、嚴重依賴導致的封閉化現象對用戶和產業造成的傷害，正是他從事網絡計算研究並最終提出透明計算理論的原動力。
從2009年開始，張堯學團隊將透明計算拓展至移動網際網路。到2010年，他們終於做出了一個模型。2012年10月出版的《國際雲計算雜誌》以長達百餘頁的專輯形式介紹了這種新型網絡計算作業系統，在國際業界引起震動。
在中南大學計算機系的透明計算實驗室裡，記者見到了這臺被研究人員喚作「小寶」的透明計算終端。它看上去就是一臺顯示器，比一體機還要小，其容量近乎裸機。
工作人員向記者現場演示了大型軟體AutoCAD的使用過程。原來，所有數據和程序的存儲都不在終端上，而是存儲於伺服器上，計算機上只有一個個虛擬圖標。使用時，只要進入Meta OS，便可根據需求選擇調用Windows、Linux、IOS等不同作業系統，不僅啟動速度和平時沒什麼兩樣，還可與旁邊手持平板電腦和智慧型手機等移動終端的用戶實現同步編輯。
令記者不解的是，人們早已習慣的下載安裝過程似乎在「不知不覺」中消失了。據介紹，只要網絡正常，在世界上任何一個地點登陸，都可以感受到同樣的上述用戶體驗，而且不必擔心大量的流量使用，來自後臺的精心設計展現了體系結構理論改進後的強大威力和迷人魅力。
張堯學告訴記者，Meta OS位於傳統作業系統和底層硬體晶片之間，相當於傳統桌面計算機的BIOS層。不僅終端內存佔用量大大減少，而且可達到多層次緩存效果，讓用戶可以根據需要通過近乎裸機的小終端獲取不同作業系統平臺的各種服務，從而大大降低了對用戶終端的要求和平臺的限制。
透明計算模式採用的計算方法又被形象稱為「流式計算」，使服務像水、電一樣供用戶使用。這正是谷歌等網際網路巨頭描繪的「雲計算」藍圖，它已被中國科學家率先提出和實現並成功走出實驗室，運用於我國教育、通信、醫療、冶金等行業，引起了中國移動、阿里巴巴、騰訊、華為、聯想等企業密切關注。
超越「替代策略」
源自中國的網絡計算原創成果引起了國際IT巨頭英特爾公司的高度重視。從2007年起，英特爾就成立了專門研究隊伍持續跟蹤研究並大力推廣。在2012年的英特爾全球信息技術峰會上，現任總裁詹睿妮用了一個小時向與會者介紹張堯學和透明計算，並預言稱「今後的十年將是透明計算的十年」。如此高調地推薦一項非英特爾原創的技術，不僅在英特爾歷史上前所未有，就是在全球信息技術領域也極為罕見。
儘管如此，對於國內外在信息技術領域的差距，張堯學仍有清醒的認識。「國內目前所使用的CPU基本上都不是國內自己做的，而是國外做出來的，所以目前我們使用的電腦到底安不安全，我們自己是不知道的。」他表示，目前他們的研究已掌握了國外CPU的結構指令，「雖然我們還不是很清楚門內是什麼，但至少已經把守住了門口。」
在張堯學看來，透明計算在理論和應用上的突破對產業的意義主要在於：改變了我國作業系統發展一貫採取的「替代策略」，可解決國家網絡安全和作業系統技術長期受制於人的重大問題，並具有可形成新的IT產業鏈、拉動其他產業升級換代的前景與能力。
談到我國IT技術的發展，張堯學深有感觸。「以前，別的公司做了CPU，我們就想做個CPU來取代別的公司；人家有個Windows作業系統，我們就想做個作業系統來取代它。」在他看來，這種替代策略在IT領域其實是一個非常艱苦的策略，「因為別的已有公司在用戶體系、資金與市場上都已經非常成熟，你不可能輕易撼動。」他自己給出的答案是：共存。
「透明計算是對以往存儲計算的一個擴展，並非完全取代。」張堯學說，它「不破壞、不反對、不消滅」原來的體系結構，但會派生出很多新的終端來，從而改變商業模式和軟體的使用模式。
回顧團隊的研究歷程，張堯學坦言，起初他們只是專注於問題本身，不想一味模仿和替代，並沒有想到一定要做出什麼轟動世界的東西。「從解決實際問題出發，產生了一些明確的動機和原創的想法。」隨後，他們帶著這個動機和想法一鑽就是二十年。
其間，國家自然科學基金的支持發揮了重要作用。1995年、1997年、2009年，透明計算系列研究工作三次獲得國家自然科學基金項目資助。長達十餘年的跟蹤支持為相關研究工作的持續開展奠定了堅實的基礎。
「國家自然科學基金『不多不少』的經費支持，鼓勵探索、寬容失敗的資助定位，激勵研究人員摒棄浮躁，尊重科學，忠於理想，潛心學問，在創造力最旺盛的年齡階段夯實研究基石。」張堯學說。不忘初心，方得始終，這或許就是「運氣」背後的答案。（原標題：透明計算：締造下一個「雲」時代——解讀2014年度國家自然科學獎一等獎）