我国计算机方向院士：工程院院士孙凝晖 计算机系统的演进规律

我国计算机方向院士：工程院院士孙凝晖 计算机系统的演进规律今天的报告主题是从工程科学视角看计算机系统中的规律，与大家一起来探讨指导高性能计算机这样大工程的科学原理或者规律是什么？我们一般从计算机理论和数理基础出发来思考工程科学的规律，那么，我今天试图从工程科学规律视角来看这样大的计算机系统。1 为什么要从工程科学视角看计算系统？在他看来，工程科学的基本规律牵引着高性能计算机等大工程的发展。从工程科学概念性、关键性、共同性的视角来看，工程系统的建构目标遵循两大典型规律，即求极致和求通用。通过计算摄像显微仪器和手机成像技术两个案例分析，孙凝晖认为求极致系统的突破点在于抓主要矛盾，再结合新理论和新工程技术来突破关键指标。而求通用系统一般是一个松散耦合结构，关键在于刻画描述问题，并将其映射到关键工程结构设计中去，再结合技术的时空局限性构建系统。在历史性回顾中，孙凝晖从工程科学视角总结了从算盘时代，到机械计算工具，再到通用型电子计算机繁荣发展的关键转折点和

整理 ｜ 琰琰

编辑 ｜ 青暮

12月16日，第十八届中国计算机大会(CNCC2021)在深圳隆重开幕。今年大会主题是“计算赋能加速数字化转型”，设有17个特邀报告、3场大会论坛、113场技术论坛，超过600位国内外计算机领域知名专家、企业家聚焦不同专业和话题，从学术、技术、产业、教育、科普等方面，全方位探讨数字经济与计算技术的前沿发展趋势。

开幕当天，CCF会士、CCF常务理事、CCF王选奖获得者、中国工程院院士、中国科学院计算技术研究所研究员孙凝晖做了题为《从工程科学视角看计算机系统中的一个规律》的特邀报告。在报告中，孙凝晖从工程科学中的基本方法出发，分析了计算机系统中“求通用”的基本规律，介绍电子计算机和高性能计算机成为通用设备的技术发展过程，最后探讨了未来通用计算平台和高性能计算机的发展趋势和可能的重要创新。

在他看来，工程科学的基本规律牵引着高性能计算机等大工程的发展。从工程科学概念性、关键性、共同性的视角来看，工程系统的建构目标遵循两大典型规律，即求极致和求通用。通过计算摄像显微仪器和手机成像技术两个案例分析，孙凝晖认为求极致系统的突破点在于抓主要矛盾，再结合新理论和新工程技术来突破关键指标。而求通用系统一般是一个松散耦合结构，关键在于刻画描述问题，并将其映射到关键工程结构设计中去，再结合技术的时空局限性构建系统。

在历史性回顾中，孙凝晖从工程科学视角总结了从算盘时代，到机械计算工具，再到通用型电子计算机繁荣发展的关键转折点和突破原因。结合自身研究工作，孙凝晖回顾了从求极致的超级计算机到求通用的高性能计算机的发展过程，总结了构造通用高性能计算机的工程科学基本方法。最后，他预测，未来的先进计算系统在概念性、关键性、共同性三个方面会呈现出以下特点：（1）在概念上系统熵把无序变为有序；（2）以数据为中心，具备内构安全特点的高通量计算系统会成为新的关键性结构；（3）系统的共同性将从以数据建模为中心的第四范式迈向以建模复杂系统为核心的第五范式。

以下是演讲全文，AI科技评论做了不改变原意的整理：

1 为什么要从工程科学视角看计算系统？

今天的报告主题是从工程科学视角看计算机系统中的规律，与大家一起来探讨指导高性能计算机这样大工程的科学原理或者规律是什么？我们一般从计算机理论和数理基础出发来思考工程科学的规律，那么，我今天试图从工程科学规律视角来看这样大的计算机系统。

2017年底，两院院士郑哲敏先生发表了一篇文章《从钱学森的技术科学思想谈起》，从这篇文章中，我得到一些启示。这篇文章谈到在科学发现的早期，科学和技术没有严格的区分，以牛顿为例，他既是力学三大定律的提出者，也是剑桥大学物质结构研究的科学家。到了19世纪，科学和工程开始分道扬镳，背后的原因是自然科学本身没有一个完整的体系，加上很多科学理论对工程的实际贡献有限，所以，大多工程师只采用纯工程的方法来解决问题。后来到了20世纪中期，自然科学和工程技术再次紧密联系在一起。特别是二战期间，火箭、雷达、核武器，这些装备都是大工程，它们不是依靠工程实践积累和经验判断设计出来的，而是需要大量的自然科学作为依据，是科学家和工程师密切合作的产物。所以工程科学、自然科学和工程技术，三者之间的联系本质上是非常紧密的。

工程技术虽然是对自然界事物的经验累积和对工艺的改进，但把其中的一些共性经验和理论提炼出来，就可以形成工程科学理论或者具有普遍意义的规律；而工程科学对技术科学的成果加以分析和提高就有可能成为自然科学的一部分，比如工程控制论。

郑哲敏先生在这篇文章指出：“技术科学与工程技术的区别在于，每项工程涉及各种各样的具体技术问题，而技术科学是研究其中概念性、关键性、共同性的规律，给出一些工程上解决类似问题的共同方案。就是说，技术科学对工业技术有着引导的作用，能极大地促进和推动工程技术的发展。”简单来看，我们可以把它称为“三性”，分别是概念性、关键性和共同性。

今天我想用这三大类方法来看一下计算机系统中的典型规律，我称它们为求极致的规律和求通用的规律。我们做大工程的系统建构主要有两个大目标，一个叫求极致，在特定维度或者核心技术上突破最高、最大、最快的技术极限，开拓科学研究的新疆界，比如，类似的工程有最快的超级计算机，最重的重型火箭，或者最大口径的望远镜，这类系统通常在学术研究中比较普遍。

另一个叫求通用，这类系统的设计要求约束多，可快速迭代，使用范围广，可兼容性强，比如我们的手机摄像头，汽车工业，民航客机，高性能计算机，这些都是求通用的典型系统，一般工业界对类似系统的建构更感兴趣。这两类系统在相互促进和相互转换的过程中，也存在一些内在规律。

我举两个例子，一个求极致的例子是戴琼海院士在《自然-光子学（Nature Photonics）》杂志上发表的一项研究工作，这项研究将光学、微电子、计算机视觉以及信号处理等学科交叉，提出了一种显微成像新架构，研制了“实时超宽场高分辨率成像显微镜”，各项研究指标都达到了极致，比如1厘米x1.2厘米的超宽带视场，1.2微米的高分辨率，51亿像素每秒的数据通量。这一工作为生命科学和医学研究提供了一件“利器”。

另外一个求通用的例子是我们非常熟悉的手机成像技术，它不追求每一个单项指标都达到极致，而是用软硬一体化来补短板，占据除了专业相机以外的市场。它通过图像信号处理器（ ISP）弥补硬件在单项指标上的不足，让成像器件，图像计算硬件和处理软件协同进步，并通过快速迭代实现性能提升。

我简单总结了一下这两类系统建构的一些基本方法。

求极致的关键是抓主要矛盾，再结合关键的科学理论和工程技术突破指标上的极致，形成紧耦合结构，最后整合所有技术，定制系统内部需要的部件。