何炎祥

1IT發(fā)展動態(tài)點滴

1.1美國NGI(Internet II)計劃

當(dāng)今世界，Internet的發(fā)展已產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，帶動了一系列高新技術(shù)的發(fā)展；另一方面，由于用戶數(shù)量的飛速增長，Internet已擁擠不堪，在技術(shù)上和功能上已表現(xiàn)出不完善。這將影響它的繼續(xù)發(fā)展，也影響到美國“NII行動計劃”制定的“為全民服務(wù)”的目標，因此，“升級換代”迫在眉睫。

Internet II的發(fā)展方向是，它將實現(xiàn)“超高速光纖網(wǎng)”，建設(shè)“千兆級節(jié)點”(GigaPOP)，采用IPv6技術(shù)；它是一種2.4Gb/s的多媒體信息網(wǎng)絡(luò)；在連接100所美國大學(xué)和國家實驗室時，比目前的Internet快100倍，在連接較小的機構(gòu)，進行點對點的通信時，比目前快1000倍，可在1秒鐘內(nèi)傳輸完全部的Encyclopedia Britannica(《大不列顛百科全書》)。

1.2軟件轉(zhuǎn)型和軟件新形態(tài)

從80年代到現(xiàn)在，軟件形態(tài)發(fā)生了很大變化。從原來面向單體系統(tǒng)發(fā)展到面向網(wǎng)絡(luò)的軟件單元構(gòu)架，現(xiàn)在最多的是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的復(fù)雜系統(tǒng)資源的構(gòu)建。在教學(xué)方面，我們應(yīng)考慮軟件已經(jīng)變成了網(wǎng)絡(luò)式軟件，特點是不確定用戶、多目標和多樣性的需求、頻繁的用戶需求變化和系統(tǒng)動態(tài)演變、非自我擁有的網(wǎng)絡(luò)資源。我們需要思考如何將他們?nèi)绾稳诘浇虒W(xué)中。

圖1 軟件轉(zhuǎn)型和軟件新形態(tài)

1.3腦科學(xué)研究計劃

日本政府正在啟動五個國家級科研計劃之一的“腦科學(xué)研究計劃”，為期20年，每年投入1000億日元，總計2萬億日元，這包括三個研究領(lǐng)域：了解腦，保護腦，人工創(chuàng)造腦；47個課題：包括思維語言，開發(fā)人造神經(jīng)系統(tǒng)，開發(fā)人腦型計算機，智能機器人等。

這樣的研究計劃對我們的教學(xué)有何沖擊？

1.4藍色大腦計劃

瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院大腦認知學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家亨利·馬克拉姆辛勤耕耘15年，成功繪制出老鼠大腦細胞圖。他希望能制造出模擬人腦神經(jīng)元的系統(tǒng)，造出人工智能方面的器件和計算機。他打算在IBM公司的幫助下，于2015年開發(fā)出一個虛擬人腦，它擁有人腦所有的1000億個神經(jīng)元。馬克拉姆表示，隨著“藍色大腦”計劃在今后幾年的不斷完善，大腦“電路”之謎終將揭開。

IBM公司號稱是“藍色巨人”(Big Blue)，“藍色大腦”(Blue Brain)計劃中的“藍色”兩字就來自于此。

在這樣的基礎(chǔ)研究背景下，我們的教學(xué)該如何做？

1.5世界各國高性能計算機發(fā)展

1.5.1我國高性能計算機發(fā)展簡史

1983年，我國“銀河Ⅰ號”巨型計算機研制成功，運算速度達每秒1億次；

1984年，中國第一臺10億次巨型銀河計算機Ⅱ型通過鑒定；

1994年，銀河計算機Ⅱ型在國家氣象局投入正式運行，用于天氣中期預(yù)報；

1995年，曙光1000大型機通過鑒定，其峰值可達每秒25億次；

1997年，銀河Ⅲ并行巨型計算機研制成功；

1999年，銀河四代巨型機研制成功；

2003年11月，聯(lián)想公司研制的“聯(lián)想深騰6800高性能計算平臺”系統(tǒng)峰值達到5.3萬億次，當(dāng)年Top500排名14。

2004年6月曙光公司研制的“曙光4000A”系統(tǒng)峰值10萬億次，當(dāng)年Top500排名10。

由中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所、曙光信息產(chǎn)業(yè)有限公司自主研發(fā)制造的百萬億次超級計算機“曙光5000”于2008年8月研制成功，落戶上海超算。

“曙光5000”系統(tǒng)峰值運算速度達到每秒230萬億次浮點運算，LINPACK運算速度超過每秒160萬億次浮點運算，是目前國內(nèi)速度最快的商用高性能計算機系統(tǒng)。

1.5.2世界高性能計算機發(fā)展形勢

2002年4月，日本NEC公司宣布研制出當(dāng)年世界上運算速度最快的超級計算機“地球模擬器”，它擁有5120個處理機，運算峰值達到40萬億 FLOP/s，投資400億日元，歷經(jīng)4年。它安裝在橫濱地球模擬研究和開發(fā)中心，并已正式投入運行。

2007年，IBM的BLUE GENE(藍基因)計劃指出，2007年實現(xiàn)了每秒1000萬億次大規(guī)模并行機(SMASH計劃)的研制——它主要用于蛋白質(zhì)的折疊計劃，投資為1億美元。這臺計算機復(fù)雜到人很難駕馭它，全部實現(xiàn)了自我管理。它采用100萬個處理機并行，每個處理機實現(xiàn)了10億次浮點運算。

這臺機器有64個機柜，每機柜8個主板，每個主板包括64個芯片，每個芯片有32個處理機(64×8×64×32)，它將DRAM嵌入CPU芯片中，每個芯片有12GB通信能力，總通信帶寬達到300TB/S，實現(xiàn)了自管理。

面對世界各國飛速發(fā)展的高性能計算機，我們的教學(xué)怎么跟上去？

1.6服務(wù)科學(xué)

IBM最先倡導(dǎo)服務(wù)科學(xué)，稱為“服務(wù)科學(xué)，管理和工程(Services Sciences，Management and Engineering)”，美國很多大學(xué)如berkeley已開設(shè)服務(wù)科學(xué)課程，將來培養(yǎng)出來的人就是美國的行業(yè)工程師。

服務(wù)科學(xué)可以融合計算機科學(xué)、運籌學(xué)、產(chǎn)業(yè)工程、數(shù)學(xué)、管理學(xué)、決策學(xué)、社會科學(xué)和法律學(xué)等學(xué)科，創(chuàng)建新的技能和市場來提供高價值的服務(wù)。

1.7會聚技術(shù)

1.7.1會聚技術(shù)的歷史

2001年底，美國DoC-BTM、NSF、NSTC-NSEC等機構(gòu)在華盛頓召開由50余名著名科學(xué)家和政府要員參加的題為“會聚四大技術(shù)，提升人類能力”的圓桌會議，首次提出“會聚技術(shù)”的概念?！皶奂夹g(shù)”是指當(dāng)前四個迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域—納米、生物、信息技術(shù)和認知科學(xué)的協(xié)同融合——這就是所謂“NBIC會聚技術(shù)”。每個領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮螅渲腥魏渭夹g(shù)的兩兩融合、三種集成或四者會聚，都將產(chǎn)生難以估量的效能。

1.7.2會聚技術(shù)的內(nèi)涵

N——納米科學(xué)與技術(shù)：人類探索的新空間——消弭了自然與人造的分子系統(tǒng)之間的界限。

B——生命科學(xué)與技術(shù)：永恒研究的老對象——通過基因?qū)W和蛋白質(zhì)學(xué)來延長人的壽命。

I——信息科學(xué)與技術(shù)：延伸智能的好工具——導(dǎo)向更加自主的智能機器。

C——認知與神經(jīng)科學(xué)：完善人類的總目標——創(chuàng)造出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并破譯人類認知。

1.7.3會聚技術(shù)的理念

四種科學(xué)的會聚是對學(xué)科的巨大挑戰(zhàn)。學(xué)科會聚的理念來自會聚技術(shù)，是指以整體論為基礎(chǔ)的多學(xué)科協(xié)同綜合的過程，學(xué)科會聚的理念高于學(xué)科交叉和學(xué)科群落。學(xué)科會聚的理念如表1所示。

1.8網(wǎng)格計算

計算機網(wǎng)絡(luò)只是信息傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，計算機網(wǎng)格則是資源共享的基礎(chǔ)設(shè)施，它使互聯(lián)網(wǎng)上所有資源，包括計算、存儲、通信、信息、軟件、知識等全面連通，根據(jù)服務(wù)等級協(xié)定(SLA)之類的協(xié)議向用戶提供Pervasive/Grid模式的GGG (Great Globe Grid)應(yīng)用服務(wù)。其含義是把分布在不同地理位置的高性能計算機、各種儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、軟件等資源用高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，使這些資源看起來就像一臺超級計算機的部件，用戶通過網(wǎng)格可隨時隨地、單一映像、高效一體化地共享資源、協(xié)同開展教學(xué)科研及應(yīng)用開發(fā)活動。

網(wǎng)格計算也稱先進計算基礎(chǔ)設(shè)施(ACI，Advanced Computational Infrastructure)等，分為計算網(wǎng)格、信息網(wǎng)格、知識網(wǎng)格、服務(wù)網(wǎng)格等。

我國在網(wǎng)格領(lǐng)域的研究始于最近幾年，目前最重要的三個項目是：

1. 中國科學(xué)院的“國家高性能計算環(huán)境(NHPCE)”項目(“中國國家網(wǎng)格”——CNGrid)

2. 清華大學(xué)的“先進計算基礎(chǔ)設(shè)施北京上海試點工程(清華ACI系統(tǒng))”項目

3. 中國教育科研網(wǎng)格計劃ChinaGrid

1.9云計算

最近，一些大公司如MS、Google、IBM等都在炒作“云計算”的概念，如IBM跟歐盟合作開展“云計算”，歐盟撥款1.7億萬歐元；Google與IBM聯(lián)合力推“云計算”模式；Yahoo也把寶押在了“云計算”上；我國也在無錫跟IBM公司聯(lián)合建立了一個“云計算”中心。

有人說微軟收購Yahoo的一個重要考慮就是因為Yahoo在“云計算”方面的領(lǐng)先地位，而IBM、Yahoo和Google等正在使用“云計算”的概念兜售自己的產(chǎn)品和服務(wù)。

“云計算”(Cloud Computing)是分布式處理(Distributed Computing)、并行處理(Parallel Computing)和網(wǎng)格計算(Grid Computing)的發(fā)展，或者說是這些科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn)。

量子物理中有一種“電子云(electron cloud)”，即在原子核周圍運動的電子不是在一個經(jīng)驗世界的軌道上，例如像天體一樣的運行軌道上，而是彌漫在空間的、類似云狀的存在。電子云有概然性、彌漫性、同時性等特征。

“云計算”借用了量子物理中的“電子云”(Electron Cloud)的概念，強調(diào)說明計算的彌漫性、無所不在的分布性和社會性特征。

云計算(cloud computing)是分布式計算技術(shù)的一種，最基本的概念是，透過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)，經(jīng)搜尋、計算分析之后，將處理結(jié)果回傳給用戶。透過這項技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

云計算技術(shù)的例子隨處可見，例如搜尋引擎、網(wǎng)絡(luò)信箱等，使用者只要輸入簡單指令即能得到大量信息。進一步的云計算不僅可以做資料搜尋、分析，還可以分析DNA結(jié)構(gòu)、基因圖譜定序、解析癌癥細胞等。

2大學(xué)的使命

原來我們說傳播知識即教學(xué)，創(chuàng)造知識即科研。現(xiàn)在大學(xué)的功能還有服務(wù)社會，引領(lǐng)民族和社會文化。

3國家創(chuàng)新體系

2006年1月，胡錦濤總書記在“全國科技大會”上明確提出了“提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家”的重大戰(zhàn)略任務(wù)。黨的“十七大”報告明確指出：提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家，是國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，是提高綜合國力的關(guān)鍵。

我國創(chuàng)新體系在未來10-15年甚至更長時間科技發(fā)展指導(dǎo)方針是：

自主創(chuàng)新，重點突破，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。

所謂創(chuàng)新，包括原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、引進消化吸收后再創(chuàng)新。

加強建設(shè)國家創(chuàng)新體系，要支持基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)研究、社會公益性技術(shù)研究；進一步營造鼓勵創(chuàng)新的環(huán)境、努力造就世界一流科學(xué)家和領(lǐng)軍人才、注重培養(yǎng)一線的創(chuàng)新人才。

與高校和科研院所相關(guān)的是要搞原始的知識創(chuàng)新體系。人才培養(yǎng)如何與國家發(fā)展方向結(jié)合起來？

4創(chuàng)新人才培養(yǎng)

對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)，我們要站在國際國內(nèi)、國家需求和重大發(fā)展趨勢的高度進行思考。

馬大猷院士說：我國研究人員基礎(chǔ)都很好，但常提不出自己的設(shè)想，很多人都是“述而不作”。中國人從小學(xué)起就被要求絕對服從，逐漸養(yǎng)成迷信長上、迷信書刊、死記硬背、整天學(xué)習(xí)、缺少交流的習(xí)慣。

他還指出：現(xiàn)在科學(xué)前沿幾乎不見中國科學(xué)家。新技術(shù)產(chǎn)品頗為發(fā)達，但其核心技術(shù)與研究很少是中國人的貢獻。

要培養(yǎng)創(chuàng)新人才，教師要具備的素質(zhì)有：

(1) 教學(xué)與科研兩手都要硬，并要緊密結(jié)合

(2) 教師要具有系統(tǒng)扎實的業(yè)務(wù)知識、自我發(fā)展與自我完善的能力

(3) 工作責(zé)任心與進取心

(4) 寬廣的胸懷與平和的心態(tài)

(5) 真誠合作、和諧共事

(6) 開放與交流

(7) 關(guān)注學(xué)科前沿和發(fā)展趨勢

(8) 良好的文化修養(yǎng)

(9) 積極探索探究式教學(xué)、互動式授課、專題型研討教學(xué)方法

(10) 指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新實踐活動、大學(xué)生業(yè)余科研

(11) 帶領(lǐng)本科生進入課題組和科研平臺

(12) 充分利用IT技術(shù)輔助教學(xué)，如利用BBS、博客等開展討論式或互動式教學(xué)

具有國際競爭能力的人才應(yīng)該具有下列素質(zhì)：

(1) 國際視野：有全球化的概念和國際化視野

(2) 國際意識：以國際化的態(tài)度對待和處理事物

(3) 國際活動：善于國際交往，能夠與國際同行打交道、交朋友

(4) 國際知識：了解國際競爭規(guī)則和各國文化與專業(yè)情況

(5) 國際資源：能夠迅速獲取和擁有國際合作伙伴、網(wǎng)絡(luò)及國際上各種資源

(6) 參與國際競爭：迅速適應(yīng)國際環(huán)境，適應(yīng)并參與國際競爭

清華大學(xué)的觀點認為，具有國際競爭能力的人才應(yīng)該具有下列能力：

(1) 獲取信息的能力：能準確及時地從各種媒介了解國際重大事件、世界政治經(jīng)濟文化發(fā)展的動態(tài)和趨勢、中國在國際社會中面臨的挑戰(zhàn)和機遇、各個方面的基本數(shù)據(jù)和背景資料等。

(2) 分析鑒別能力：對國際政治斗爭、經(jīng)濟全球化的影響、國家民族利益、人類和平發(fā)展及環(huán)境等問題有正確的認識。具有獨立思考精神，能從現(xiàn)象抓住本質(zhì)，能比較準確地預(yù)測判斷未來發(fā)展趨勢，做出自己的決策。

(3) 國際交往能力：具有國際交流活動的經(jīng)歷和能力，掌握準確、流利的外語，熟悉國外禮儀習(xí)俗，懂得保護國家民族和自身合法利益，能以公平競爭、友好合作，互相尊重，自強不息的態(tài)度參與國際合作交流。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的觀點認為，具有國際競爭能力的人才應(yīng)該是這樣的：

(1) 國際化氛圍：營造多元化校園環(huán)境及國際化氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的國際化視野。

(2) 海外教師聘請：聘請海外教授及專家講學(xué)，提高教師與學(xué)生接受和參與國際活動的機會。

(3) 教師隊伍國際化：通過引進留學(xué)人員、派出教師國外深造，促進教師隊伍國際化。

(4) 教學(xué)研究國際化：研究國外教學(xué)模式與經(jīng)驗。

(5) 課程體系及教學(xué)方式國際化：引進國外先進課程體系、教學(xué)方式、教材及課件等，采用雙語教學(xué)。

(6) 學(xué)生國際化：學(xué)生聯(lián)合培養(yǎng)；交換與交流、培養(yǎng)留學(xué)生。

(7) 建立國際合作交流平臺：開展國際合作研究項目、聯(lián)合實驗室、國際學(xué)術(shù)會議、國際學(xué)生科技競賽。

而武漢大學(xué)的觀點則認為，要培養(yǎng)具有國際競爭能力的人才，應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的三創(chuàng)精神，即創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)。

國際化的大型企業(yè)喜歡SCORE人才，即：

如果能夠具有以下能力，則更是一個全面的人才，發(fā)展會更好，即：

●誠信的人品

●開闊的視野

●溝通+團隊合作能力

●對理想的執(zhí)著追求

●跨文化的能力

服務(wù)經(jīng)濟時代需要T型人才，如圖4所示?！皺M”代表寬闊的基礎(chǔ)知識，“豎”代表深入的專業(yè)知識。

圖4 T型人才

在現(xiàn)代社會中，很多觀點認為T型人才還不夠，還需要∏型人才，除了基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識外，還要有特別的技能，那樣就會“打遍天下無敵手”。如圖5所示。

圖5 ∏型人才

這里還有一個加強實踐的問題，康德在18世紀末提出的科學(xué)研究方法論是：

人類在探索自然時，不應(yīng)該像個小學(xué)生似地聽取老師告訴他們的每一件事；反之，他們應(yīng)該像一位被任命的法官一樣，迫使自然回答他提出的問題。

事先提出一個關(guān)于自然的假設(shè)，然后再通過實驗或觀察來迫使自然回答我們的問題，這就是康德哲學(xué)。

在IT領(lǐng)域中，問題求解能力很重要。包括：運用創(chuàng)新方法和知識求解問題的能力和實踐動手能力。MIT校訓(xùn)指出：

I hear，I forget；

I see，I remember；

I do，I understand。

MIT的“不為”原則是：“只要努力一定能成功的課題不做”，即要做沒有把握成功的研究，要重新創(chuàng)造(Reinvention)。

我們在研究中要注重學(xué)科交叉與綜合應(yīng)用，各領(lǐng)域?qū)W科交叉與綜合應(yīng)用的情況如圖6所示。

圖6學(xué)科交叉及綜合應(yīng)用示意圖

計算機科學(xué)與現(xiàn)有的物理學(xué)、生命科學(xué)、社會科學(xué)具有很強的交叉性與融合性。

5IT發(fā)展實例

5.1銥星計劃(銥星系統(tǒng))

1987年，摩托羅拉公司的兩位工程師提出一個設(shè)想：設(shè)計一群由低地球軌道的通信衛(wèi)星組成的星座，以提供全球范圍內(nèi)任意兩點的無線通信聯(lián)絡(luò)。

1991年，摩托羅拉公司決定建立由77顆低軌道衛(wèi)星(后來衛(wèi)星的數(shù)量減到66顆)組成的空間移動通信網(wǎng)絡(luò)，并以在元素周期表上第77位的金屬“銥”(Iridium)來命名——“銥星系統(tǒng)”。投資高達57億美元。

銥星系統(tǒng)的技術(shù)十分先進，它采用了星上處理和星間鏈路技術(shù)，相當(dāng)于把地面蜂窩網(wǎng)倒置在空中，解決了衛(wèi)星網(wǎng)與地面蜂窩網(wǎng)之間的跨協(xié)議漫游，最大特點就是通信終端手持化，個人通信全球化，實現(xiàn)了5個“任何”(5W)，即任何人(Whoever)在任何地點(Wherever)，任何時間(Whenever)可與任何人(Whomever)采取任何方式(Whatever)進行通信。

科技界對它評價頗高，如開創(chuàng)全球個人通信的新時代，成為現(xiàn)代通信的一個里程碑；1998年被美國《大眾科學(xué)》雜志評為獨一無二的新型衛(wèi)星電話系統(tǒng)。

然而，十年計劃，一年破產(chǎn)。

1997年6月，銥星公司股票以每股20美元上市，1998年5月飆升到每股70美元；1998年11月1日，銥星系統(tǒng)投入市場；1999年8月13日，銥星公司申請破產(chǎn)保護；但2000年3月17日，銥星公司正式終止其商業(yè)服務(wù)，宣告破產(chǎn)。

思考銥星系統(tǒng)失敗的原因，可以概括為幾方面：

在經(jīng)營方面，為了搶占市場匆匆上馬，結(jié)果手機供不應(yīng)求；

在技術(shù)方面，手機笨重，初期通話質(zhì)量差，還不能在室內(nèi)和車內(nèi)使用等；

而最根本原因的是對技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(forecast)和前瞻(foresight)出現(xiàn)重大失誤，首先它未能預(yù)測10年后地面移動通信技術(shù)實現(xiàn)了由模擬式向數(shù)字式的跨越，而且價格低廉，用戶眾多；第二，它未能預(yù)測10年后Internet應(yīng)用得如此廣泛。

5.2諾基亞公司

諾基亞公司起步的時候是“鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)”，80年代主要業(yè)務(wù)是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、造紙、膠皮棉靴、電視機；92年砍掉電視機業(yè)務(wù)，專心發(fā)展移動通信，目前已占世界移動通信市場的1/3；1/3職工(約1.3萬人)做 R&D，每年投入R&D 13.5億美元；每月推出一種新產(chǎn)品，市場方面把握正確。

6啟示與體會

計算機學(xué)科和現(xiàn)代社會的發(fā)展日新月異，機遇前所未有，挑戰(zhàn)前所未有，但機遇大于挑戰(zhàn)。我們教育工作者要適應(yīng)這種飛躍發(fā)展的形勢，只有不斷創(chuàng)新教學(xué)理念，改革教學(xué)方法，才能培養(yǎng)出具有國際競爭能力和創(chuàng)新能力的人才。