梅宏院士談軟件定義的未來

梅宏，中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)士，IEEE Fellow。曾任北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長，上海交通大學(xué)副校長，現(xiàn)任北京理工大學(xué)副校長，北京大學(xué)高可信軟件技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要從事軟件工程和系統(tǒng)軟件領(lǐng)域的研究，在構(gòu)件化軟件中間件、開發(fā)方法學(xué)和工具環(huán)境等方面取得了系列成果。

梅宏教授的主題報(bào)告是《軟件定義一切：挑戰(zhàn)和機(jī)遇》。主要內(nèi)容分為三部分，無處不在的軟件，軟件定義的時(shí)代，新時(shí)代的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

他從軟件從業(yè)者的視角，將計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展歷程分為三個(gè)階段，并分別總結(jié)概括了各個(gè)階段的大體體征以及應(yīng)用領(lǐng)域。第一個(gè)階段是1946—1975年，軟硬一體化階段；第二個(gè)階段是1975年以后，軟件的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化階段；第三個(gè)階段是1995年以后，軟件的網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化階段。

結(jié)合當(dāng)下的人工智能熱潮，梅宏教授認(rèn)為我們正在進(jìn)入一個(gè)軟件定義的時(shí)代。軟件定義的技術(shù)本質(zhì)是把原先一體化的硬件設(shè)施打破，將基礎(chǔ)硬件虛擬化并提供標(biāo)準(zhǔn)化的基本功能，然后通過管控軟件，控制其基本功能，提供更開放、靈活、智能的管控服務(wù)。

他認(rèn)為軟件技術(shù)是新一輪制造業(yè)革命的核心競爭力之一。智能制造業(yè)需要實(shí)現(xiàn)“硬件”、知識(shí)和工藝流程的軟件化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟件的平臺(tái)化，本質(zhì)上即“軟件定義”。

報(bào)告中除了回顧了軟件技術(shù)的發(fā)展，梅宏教授還從操作系統(tǒng)的視角來理解軟件定義的本質(zhì)和內(nèi)涵：硬件資源虛擬化、管理功能可編程。最后，梅宏教授也展望了軟件定義的未來，他認(rèn)為在人-機(jī)-物融合計(jì)算的場景下，萬物皆可互聯(lián)、一切均可編程、進(jìn)而分析了軟件定義的帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

軟件定義一切，人-機(jī)-物互聯(lián)就是軟件人的機(jī)遇。軟件定義的挑戰(zhàn)是什么？梅宏教授認(rèn)為是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決策，系統(tǒng)安全，系統(tǒng)質(zhì)量以及如何更輕量的虛擬化，還有怎樣打造高度自適應(yīng)的軟件平臺(tái)。具體內(nèi)容請看雷鋒網(wǎng)整理編輯的梅宏院士會(huì)場實(shí)錄。

以下是梅宏院士的報(bào)告原文

感謝大會(huì)給的這個(gè)機(jī)會(huì)！近幾年中，我在不同的場合也做了很多不同的報(bào)告，但是這幾年都是被動(dòng)地被拉去講大數(shù)據(jù)，后來想想，差點(diǎn)把自己的主業(yè)忘了?，F(xiàn)在軟件很重要，我們每天的生活都離不開軟件，可能大多數(shù)人每天早上起床的第一件事兒就是打開某個(gè)APP。所以我今年給自己訂了一個(gè)小目標(biāo)，但凡有機(jī)會(huì)做報(bào)告，我就只講軟件，也是為本行業(yè)的人呼吁一下，所以我今天講的題目很大，軟件定義一切。

無處不在的軟件

“軟件定義一切”并不是我說的，我要是這么說可能把咱們今天在座的很多同行都給得罪了。我是想借這個(gè)題目講一講軟件的三個(gè)階段。第一個(gè)題目我想大家都認(rèn)可，軟件已經(jīng)無處不在，第二個(gè)題目是軟件定義的時(shí)代。我們正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，中華民族復(fù)興的時(shí)代，我是從信息技術(shù)對人類社會(huì)的改造這個(gè)角度來談這個(gè)新時(shí)代，不同的人從不同的角度也給了這個(gè)時(shí)代不同的賦名。從基礎(chǔ)設(shè)施視角來看，這是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代；從計(jì)算模式視角來看，這是一個(gè)云計(jì)算時(shí)代；從信息資源視角來看，這是一個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代；從信息應(yīng)用視角來看，這是智能化時(shí)代。我想說在這些里面有一項(xiàng)很重要的技術(shù)，那就是軟件。某種意義上來說，我們這個(gè)時(shí)代就是一個(gè)軟件定義的時(shí)代。

軟件產(chǎn)業(yè)呈持續(xù)增長態(tài)勢。從國內(nèi)來看，國家工信部公布的2012年到2016年的五年數(shù)據(jù)中，軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)始終保持高增長，在電子信息行業(yè)的比重也在不斷上升。2008年金融危機(jī)開始以后，很多行業(yè)都在下滑，而信息技術(shù)行業(yè)還在保持增長，而軟件行業(yè)的增長又是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信息技術(shù)其他的比重。從國際上來看，全球有19個(gè)國家軟件支出占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重超過0.5%，其中美國已經(jīng)超過1%。這個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模一直在保持增長。第二個(gè)軟件從業(yè)的人數(shù)，2014年全球ICT技術(shù)工人約為2900萬人，其中專業(yè)軟件開發(fā)人員約1100萬人。國家工信部給出的近五年數(shù)據(jù)中，軟件從業(yè)人數(shù)也在逐年增長，2016年達(dá)到576萬人。但如果換一個(gè)視角，從開源社區(qū)來看，比如程序員經(jīng)常去的一個(gè)軟件問答網(wǎng)站stack overflow，注冊3200萬人，其中超過2500萬人是多次訪問。再比如CSDN,注冊用戶達(dá)2500萬，活躍用戶超過800萬。它們普遍都要比工信部公布的數(shù)據(jù)高，這說明和軟件相關(guān)的從業(yè)人數(shù)有很多。

回顧過去計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展，我認(rèn)為大概可以分為三個(gè)階段。第一個(gè)是1946到1975中期，是軟硬一體化階段。第二個(gè)是1975年以后，軟件產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化階段；第三個(gè)是1995年以后，軟件的網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化階段。

我想講一講這三個(gè)階段的大體特征。在軟硬一體化階段，也就是計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)的時(shí)候，是沒有軟件的，都是以程序?qū)崿F(xiàn)的，大體上展現(xiàn)方式的是機(jī)器語言，匯編語言。早期應(yīng)用領(lǐng)域以破解密碼，軍事領(lǐng)域的計(jì)算為主。60年代初期，開始出現(xiàn)“軟件”一詞，融合程序和文檔為一體，作為獨(dú)立的形態(tài)從硬件分離出來，以IBM 360系列機(jī)為代表（盡管還是和硬件捆版一起銷售），也逐漸形成了計(jì)算機(jī)學(xué)科和程序員行業(yè)。它的展性形式是高級(jí)程序語言+文檔，應(yīng)用領(lǐng)域主要是商業(yè)計(jì)算和其他科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。軟件產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化階段，以Microsoft和Oracle的出現(xiàn)，標(biāo)志著軟件開始成為一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)業(yè)。PC的廣泛應(yīng)用和軟件產(chǎn)品化催生了人類歷史上信息化的第一波浪潮，其主要特征即以單機(jī)應(yīng)用為特征的數(shù)字化階段。緊接著就出現(xiàn)了辦公軟件，徹底改變了人類傳統(tǒng)的辦公行為，微軟office迄今依然是微軟標(biāo)志性產(chǎn)品之一。九十年代中期開始，軟件進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化，服務(wù)化階段?；ヂ?lián)網(wǎng)推動(dòng)了軟件從單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境的延伸，帶來了信息化的第二波浪潮，其基本特征是以聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為特征的網(wǎng)絡(luò)化階段。

做軟件的人總是希望把互聯(lián)網(wǎng)作為平臺(tái)，來研究軟件。軟件的形式也因互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生變化，形態(tài)從傳統(tǒng)的拷貝行為變?yōu)檐浖?wù)，等到后期移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生，促成APP的誕生，整個(gè)軟件模式都發(fā)生了變化。應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中的方方面面。

互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下軟件呈現(xiàn)新特性和新特征

我們中國學(xué)者自己定義一個(gè)詞：網(wǎng)構(gòu)軟件。指的就是面向互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算的軟件新范型。這些新范型是什么，總結(jié)有幾個(gè)性質(zhì)，實(shí)體的自主性，實(shí)體對環(huán)境的情景感知，實(shí)體之間的自主協(xié)同，實(shí)體的在線演化，以及可信性需求。簡單來說，軟件呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)，基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行開發(fā)，通過網(wǎng)絡(luò)交付分發(fā)并提供服務(wù)，這就是軟件的服務(wù)化。軟件和硬件相比，同樣都作為功能性產(chǎn)品，但軟件這種工具和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合就能夠?qū)崿F(xiàn)一種真正的服務(wù)化。緊接著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生，又產(chǎn)生了一種新的模式，這就是APP。蘋果商店擁有300萬+個(gè)APP，累計(jì)下載量超過1500億次。這個(gè)時(shí)候創(chuàng)造了一種新的模式，客戶端要和服務(wù)器端合起來完成一件任務(wù)，他也是一種拷貝，不過是一種新的拷貝方式?；ヂ?lián)網(wǎng)深刻改變了人類社會(huì)和生活模式，而互聯(lián)網(wǎng)的核心價(jià)值是連接，軟件是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)核心價(jià)值的重要使能技術(shù)。硬件連接雖然很重要，但最終的靈活連接還要靠軟件。

最終我引用兩位名人的話，NetScape創(chuàng)始人Marc Andreessen說：Software eats the world! 軟件吞噬世界。另一位是C++語言發(fā)明人，Bjarne Stroustrup說：人類文明運(yùn)行在軟件之上。

軟件定義的時(shí)代

第二部分我講的是軟件定義的時(shí)代?；ヂ?lián)網(wǎng)及其延伸，正在導(dǎo)向我們走在一個(gè)新的模式，人-機(jī)-物的融合。信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、泛在化、智能化趨勢蘊(yùn)含了人-機(jī)-物和諧發(fā)展的愿景。當(dāng)前，正在興起信息化的第三波浪潮，即以數(shù)據(jù)的深度挖掘與融合應(yīng)用為特征的智慧化階段。這個(gè)階段我命名為智能化階段，在這個(gè)新的環(huán)境下，人機(jī)物融合環(huán)境下的信息基礎(chǔ)設(shè)施是海量的資源。第二來看他的應(yīng)用，人機(jī)物融合環(huán)境下的新型應(yīng)用：需求形態(tài)多樣。面對海量資源和應(yīng)用需求形態(tài)多樣的這兩個(gè)特征，人機(jī)物融合需要新的平臺(tái)環(huán)境，如何凝練應(yīng)用共性，如何有效管理資源這是這個(gè)平臺(tái)的基本要求。在這樣的平臺(tái)之下，由于應(yīng)用需求變化頻繁和應(yīng)用場景動(dòng)態(tài)多變，這個(gè)平臺(tái)能否實(shí)現(xiàn)按需靈活定制？

什么是軟件定義？

軟件定義的真正落地，還是在云計(jì)算平臺(tái)里面的應(yīng)用。2011年前后，OpenFlow被用于云計(jì)算平臺(tái)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，并被廣泛接受。在15年的時(shí)候，Gartner戰(zhàn)略報(bào)告首次出現(xiàn)SDN（軟件定義），SDN重新“定義”了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)甚至通信產(chǎn)業(yè)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)原理是通過一組API對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行任意的編程從而實(shí)現(xiàn)新型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、拓?fù)浼軜?gòu)而不需改動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身。

計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)是什么，是管理硬件資源、控制程序運(yùn)行、改善人機(jī)界面和為應(yīng)用軟件提供支持的一種系統(tǒng)軟件，即向上提供公共服務(wù)，向下管理資源。如果從操作系統(tǒng)視角來看軟件定義，操作系統(tǒng)是軟件定義的“計(jì)算機(jī)”，從軟件研究者的視角，操作系統(tǒng)體現(xiàn)了“軟件定義”之集大成。

在我的理解看來，軟件定義的技術(shù)本質(zhì)就是把過去的一體化硬件設(shè)施打破，基礎(chǔ)硬件及其虛擬化提供標(biāo)準(zhǔn)化的基本功能，然后通過管控軟件控制基本功能，提供更開放、靈活、智能的管控服務(wù)。

軟件定義的技術(shù)本質(zhì)：硬件資源虛擬化，管理功能可編程。硬件資源抽象為虛擬資源，然后用系統(tǒng)軟件對虛擬資源管理和調(diào)度。就是在硬件資源虛擬化的基礎(chǔ)上，用戶可編寫應(yīng)用程序，滿足訪問資源的多樣性的需求。大家現(xiàn)在可以看到軟件定義出現(xiàn)了各種各樣的延伸，軟件定義的存儲(chǔ)，軟件定義的計(jì)算，軟件定義的環(huán)境，軟件定義的數(shù)據(jù)中心等等。但所有架構(gòu)都跳不出操作系統(tǒng)的三層架構(gòu)，就是說軟件平臺(tái)的三層架構(gòu)，這些SDX均符合“硬件資源虛擬化”與“管理任務(wù)可編程”的技術(shù)原理。

這就是我對軟件定義的理解。

軟件定義帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)是什么？

我們可以看到的機(jī)遇就是軟件定義一切。定義一切，人-機(jī)-物互聯(lián)是我們追求的目標(biāo)。我們是不是最終能做到萬物皆可互聯(lián)，一切均可編程呢？這就是軟件定義給未來世界達(dá)成的目標(biāo)，也就是我們的機(jī)遇所在。我們看到軟件定義的本身進(jìn)一步泛化和延伸，我們要軟件定義我們的物理世界，再進(jìn)入我們的城市、我們的行業(yè)、我們的校園，從單一的資源管控到人、機(jī)、物融合環(huán)境下對各種資源全方位的互聯(lián)互通。這是我們今后努力的方向。

人工智能是當(dāng)今的熱潮，但我個(gè)人的觀點(diǎn)還是認(rèn)為處于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的算法智能階段，軟件平臺(tái)如何提供“通用”的智能應(yīng)用支撐，并允許按需深度定制？是否會(huì)出現(xiàn)面對AI的操作系統(tǒng)？我想這個(gè)也是可以通過平臺(tái)的方式去實(shí)現(xiàn)。軟件技術(shù)在新一輪革命技術(shù)中毫無疑問是核心競爭力之一，新一輪制造革命需要實(shí)現(xiàn)“硬件”、知識(shí)和工藝流程的軟件化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟件的平臺(tái)化，本質(zhì)上即“軟件定義”。隨著人、機(jī)、物的融合，軟件定義的挑戰(zhàn)可以分為這幾個(gè)方面：體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決策，系統(tǒng)質(zhì)量，系統(tǒng)安全，更輕量的虛擬化，從原有系統(tǒng)到軟件定義系統(tǒng)平滑過渡，高度自適應(yīng)智能軟件平臺(tái)。

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決策，包括比如如何確定受管元素的合理“粒度”和“層次”？如何界定軟、硬件的功能劃分并組裝、配置相應(yīng)元素？等。

系統(tǒng)的質(zhì)量，需要解決的問題有如何合理平衡管理靈活性和“虛擬化”后的性能損耗（與直接訪問原系統(tǒng)相比）？如何降低“軟件實(shí)現(xiàn)”的復(fù)雜性和故障率，有效定位故障以保障可靠性？等等。

系統(tǒng)安全，對硬件資源管理可編程帶來開放性、靈活性的同時(shí)，也可能會(huì)帶來更多的安全隱患。對于工業(yè)控制等安全攸關(guān)領(lǐng)域來說，可能會(huì)帶來難以難以估量的損失。

更輕量的虛擬化。大量的新設(shè)備產(chǎn)生，虛擬化實(shí)現(xiàn)了對硬件資源的軟化，是軟件定義的基礎(chǔ)技術(shù)，現(xiàn)有以虛擬機(jī)為單位的技術(shù)過于重載，難以滿足性能和實(shí)時(shí)性要求。

原有系統(tǒng)到軟件定義系統(tǒng)平滑過渡。如何將原有系統(tǒng)平滑過渡到軟件定義系統(tǒng)？通過對已有的資源進(jìn)行大幅度的改造，我們需要安裝新的硬件，需要做新的軟件管理系統(tǒng)，以及面臨的人力，時(shí)間，經(jīng)濟(jì)，風(fēng)控等因素。這個(gè)平滑過渡也需要合理的方案，否則很難做成這樣的事情。

高度自適應(yīng)軟件平臺(tái)。從軟件人追求的目標(biāo)來看，我們想追求一種更為高度自適應(yīng)的智能軟件平臺(tái)?，F(xiàn)在平臺(tái)方式是以硬件資源為中心的，如果基礎(chǔ)設(shè)施層發(fā)生變化，軟件平臺(tái)就要發(fā)生改變，改完之后，上面的應(yīng)用也可能發(fā)生改變。我們追求的理想方式是，軟件平臺(tái)具有預(yù)測和管理未來硬件資源變化的能力。