陈海波：面向未来 推出新型的AIoT的操作系统

　　国际在线消息：1月8日，中国软件产业最具影响力盛会——“2020中国软件产业年会”在北京国家会议中心举行。本次年会将探讨在当前智能化引领、数字化转型背景下如何充分发挥软件驱动下的数字变革，推动经济发展的质量变革、效率变革和动力变革，以及工程教育计算机类专业认证发展趋势等重大问题；探索软件的进步和发展如何提升云计算、大数据、人工智能、区块链等新技术、新模式、新业态演进，以及如何为经济发展不断注入新动能等众多焦点问题。

　　大会现场，上海交通大学教授陈海波发表题为“AIoT时代的操作系统：机遇、挑战与展望”的精彩演讲。

　　以下为现场实录全文：

　　非常感谢中国软协的邀请，也非常荣幸在这里向各位领导、各位院士、各位老总汇报一下我们对操作系统的观点和想法。

　　首先我们这个时代我把它归结是AIoT的时代，简单来讲就是我们现在人工智能其实已经渗透到我们各个方面。我们人工智能不断增长，我们的IOT，各种智能设备已经渗透到家庭的各个方面，5G带来的大连接、低时延、高吞吐已经在生活中得到体现。这样AI+IOT+5G+云就构成了AIoT的时代。

　　AIoT什么意思？我用一个简单的例子报告一下。一个核心的例子就是智能驾驶，我们现在看到汽车正走向当年手机从功能机走向智能机，汽车也是在走这样一个类似的过程。当前我们智能驾驶的汽车包含完整的传感器、网络互联、计算单元应该是我们新一代甚至叫移动数据中心的载体。如果打开来看，中间有感知、规控、控制娱乐、互联、应用等等各方面的这些一些AIoT资源，这里面就是构成了完整的战略生态。我们从汽车的引进来看，汽车电子的软件，最早是一个单一功能的MCU，里面的操作系统非常简单。到复功能的，现在越来越汽车引入到各种AI芯片，引用非常强大的通用处理器，未来讲车联网可能把各种车和云、端、边缘计算怎么结合起来，从而形成一个融合的功能、融合的计算、网络存储的计算能力，所以这样应该是一个AIoT非常典型的代表。

　　另外一方面就是智能家居也是AIoT非常典型的代表。现在的家庭越来越智能化，所以很多企业讲我们要占领客厅、占领厨房甚至占领厕所。这样背后是我们各种不同的智能设备，包括智能手机、智能现实、智能手表、智能机器人各个方面渗透到家庭的各个方面，这样对设备资源可能从非常小的kb级扩展到tb级，这样的设备需要无缝的衔接和协作从而提供良好的体验，这样从华为的策略以手机为中心，我们连接平板音响引进等等，再扩展到更多的设备。

　　AIoT会带来什么样新的机遇和挑战？

　　第一方面是连接能力的增强，就是信息的高速公路，不仅仅是高速公路，可能变成一个超级高速公路。我们看到了4G到5G非常大的变化，就是我们10倍以上的增长和实验的下降，那么这个带来的需求就是我们硬件会更加的异构化，我们需要支持不同的加速器提供计算能力。

　　另外一方面，我们的安全性也带来了新的要求，那么我们大量的互联设备意味着什么？攻破一点就可以攻破到所有的点，这样就必须有非常强的安全底座加上互联的机制形成非常强的安全架构。

　　另外一个时延，时延能不能做到端对端的时延体验，尽管是分布式设备，但是体验是和单一设备一致的，甚至更好。

　　另外一方面自动化的生命周期的管理，怎么降低运营成本。对技术上的挑战，我们意味着很重要的方面AIoT，就是人在环路，人在环路的一点是意味着有更高的安全需求，包括我们的CT安全，如果说我们人坐在车上面，车被攻击了，那么这不仅影响着车而且影响着人，所以这样的话我们需要有非常强的防控安全攻击的能力。另外一方面就是功能安全，传统的工业领域带来的需求。我们看到传统的工业是一个封闭的形态，而且是专用的。刚才廖湘科院士提到工业的软件和IT的融合过程中带来非常大的挑战就是公共安全，当然还有高可靠性。

　　另一方面我们物的融入，意味着传统的工业的封闭的系统走向开放，从而带来一个功能和安全可靠的矛盾。封闭系统里面，坐地铁的时延怎么在四环上面跑一跑还可以达到同样的时延，这个就是非常大的挑战。

　　还有安全，安全是完全封闭的系统，只有一条通路进来，到无处不可进来的点，怎么做到安全的需求。另外人机物融合带来资源的异构性和地理的分布性，会带来资源抽象和管理上的新的挑战。

　　对行业来讲也是一个新的变革机会，我们以汽车或者是工业控制为例外ISO 26262其实是2011年刚成立的，定义的ASII这个标准ABCD四个等级。但是我们看到仅仅不到十年的时间，这样的标准的话，实际上现在的这些车已经不是用，所以这样的话ISO已经推移在建立新的标准21448，来解决我们ISO 26262里面自动驾驶缺失的问题，而且目前还正在开展的过程中。去年刚刚有，那么一个标准的形成通常往往需要数年的时间。

　　接下来汇报一下相关的操作系统的趋势和理解。首先什么是操作系统，就跟什么是人工智能一样的，没有人可以给出非常准确的定义。所以看到非常多的操作系统的定义，有云操作系统、数据中心操作系统、大数据操作系统、家居操作系统，还有建筑操作系统，这个也是前年统一的泛在操作系统，也试图把这些操作进行一个统一的名词，在这里的话关注一个今年的操作系统的视觉，因为我们更加广义的操作系统是建立在狭义的操作系统上的，简单来讲就是操作系统的内核就是加上我们系统的框架还有应用框架。比如说ios就是一个micro加上BSP的服务，在上面套上应用系统的框架，再加上UI的框架构成的。

　　我们可以看到操作系统近年有一些相关的趋势。第一个趋势是从封闭的操作系统到开放，最早的操作系统是闭源的，然后逐步我们linux的兴起引起了开源开放的趋势，我们可以看到近期的一个趋势实际上又是在走向一个封闭。一些具体的例子来讲，业界的一些动作。2018年的10月谷歌欧盟区的安卓设备进行收费，大概40美元的每设备。

　　第二个例子，我们可以看到开源的龙头企业，操作系统的龙头企业RedHat，RedHat2018年10月份发了三百四十亿美金收购的RedHat从而来构成云方面的竞争力。这里面有两点，第一点的话我们可以看到，一个仅仅做开源的里面生态以及竞争力的企业价值可以达到340亿美元，也是两千多亿人民币。另外看到操作系统的厂商在不断的洗牌，往大的厂商进行集中。

　　第三方面看到谷歌在安卓非常成功的情况下投入了大量的人力研发下一代的面向智能终端的自主操作系统。我这里想说一点操作系统并不是免费的午餐，可能很多人认为操作系统因为现在有上面的应用操作系统不再重要，但是操作系统是构筑我们控制生态的黑土地，如果把生态构筑在别人的土地上，那上面的庄稼很容易被人像剪羊毛或者割庄稼一样的割掉。

　　另外一个趋势操作系统的发展来看，从专用到通用再回到专业专用。1956年的时候是通用，当时一个GE Ro的控制系统是第一个操作系统，在IBM的360系统出来之前，操作系统基本上是每造一台新的机器就需要有一个新的系统，IBM的360标志通用操作系统的诞生，但是现在看到通用以后一直逐步往专用走，传统的操作系统，单一的操作系统不能满足实时、安全可信的这些需求，我们从现在计算一直从通用计算走向一个领域计算，各种xPU在不断繁荣。智能存储、存放一体等等这些新型硬件的创新也在走向融合，我们数据中心网络时延在渐渐走向纳米级的时延，广域网络上的时延也在不断增加，这样一定会带来一个我们操作系统的类型和数量均会大幅度的增加。

　　第三个趋势是操作系统从简单到复杂，但是这个是到更复杂。现在看到linux而代码超过两千万行，安卓的代码超过一亿行，而且增长的势头不断变大。

　　如果我们打开来看，一般认为我们的笔记本上面只有一个操作系统，一台主机只有一个操作系统。实际上一个主机的操作系统不是单一的操作系统，而是一组操作系统。比如说这是麒麟的芯片，我们可以看到各种处理单元，如果把现在的主机、PC机打开看的话，里面有各种不同的芯片，每个芯片上面都有一个小的操作系统。所以这样看到是一组操作系统运行一个计算机和芯片上。

　　我们再看操作系统的演进历程，Linux是一个非常成功的操作系统，从1991年出来，到现在快30年了。经历了架构的成型期、架构的成熟期，后面逐步走向架构的稳定期，所以看到越来越多的创新，包括现在看到的容器。包括我们的DPBK，用户的数据面、用户的网络访问开始往硬态的走。因为一个复杂的系统里面做大的创新越来越困难，所以每个系统有一定的生命周期。

　　另外计算机的应用在新的需求上不断发展的，刚才提到有计算，存储、数据中心、网络等等方面，如果用一个简单的叠三明治的形式一定不能非常好发挥硬件的性能。简单看一个hadoop的存储栈，设备的时延可能达到纳秒级或者微秒级，但是到用户体验的时延可能是毫秒级、甚至秒级，甚至几十秒。我们在很多软件上面可以看到软件带来的性能损失往往不是几倍，往往是十倍甚至一百倍，所以新的硬件发展需要新的操作系统的出现和设计，充分释放我们的算法和设计。

　　另外一方面我们提到开源，开源我们很多可能同仁们认为开源就是生态，但是开源不代表生态，开源只是构建生态的方式。我们看到传统的开源模式在某些方向走向一个窘境。比如说linux，linux现在两千多万行代码，但是现在主要的贡献者来自于IT的大厂，我们国内企业像华为也是在top5的贡献者之内。但是我们可以看到如果搭一个便车，这个便车并不是去你要去的地方，这样你会走很多的弯路，并且不能发挥你的价值。另外我们可以从其他场景看到linux有两三千万行代码，但是如果我们看一个安卓手机，涉及到linux代码不超过三百万行，基站等等的代码可能更少。苹果如果看到另外一个成功的案例，苹果ios大概两百多万行代码，这样是不是为了一个通用性背一个10倍以上的包袱。

　　另外业界来看，云计算等等新的计算模式的诞生使得开源license不断变得受限。比如说microdb（音）原来最早的开源的license就是CPL的，后面改成另外一种更加受限的license。另外一方面开源不代表自主可控，开源可以延迟开源，可能有一些特性或者安全补丁不让你知道，有各种的办法从而加强软件的控制力。

　　最后简单汇报一下相关的机遇挑战和展望。

　　可以看到AIoT的需求来看有很多需求，设备从小到大，硬件的异构性、功能安全、信息安全，以及确定时延等等一些需求的话。但是我们看到如果仅仅用一个单一的操作系统满足所有的场景这个事情有很大的挑战。另外看到类似于linux系统是过去主要的系统。我们好的方面就是有一个非常大的统一社区和生态，而且针对不同场景优化了很多年。但是坏的方面可以看到安全性、可靠性、时延、庞大的系统可能阻碍新的创新等等方面。

　　有人提了一个问题，社区把linux引入到汽车这个行业里面就有人问四个关键的问题，为什么linux不能满足公共安全的需求，另外安全漏洞方面每年也有非常多的漏洞。如果从操作系统的总揽来看，这张图非常忙，把相关的操作系统架构都列了出来。这里的目的不是把这个详细介绍一遍，但是可以看到一点有非常多不同的操作系统架构，而且真实的操作系统往往是多种设计的混合。

　　我们总结一下为什么类似于Unix系统无法满足AIoT的需求。很难去看一个宏内核，一个庞大的操作系统满足KB到TB级的场景。这个可以从安卓，安卓有安卓well，但是安卓well非常不成功的，哪怕手表这种已经兆B级的设备都不能很好的满足。另外一方面硬件异构性，需要非常定制的方法，公共安全没有办法满足非常强的安全能力，信息安全有非常多的漏洞。另外时延方面也非常难在大的系统里面做控制。

　　我们回顾历史，20年前有很多类似的架构，像微内核在特定场景非常成功。我们现在看到汽车行业，航空领域嵌入机系统里面非常成功，我们看到商业系统里面也是用了类似于微内核的混合架构设计，IOS、pikeOS实际上是基于一个micro微内核再向BSD的系统服务。windows SNP也是类似于微内核+一个系统服务的组合。所以我们面向AIoT我们需要重新审视新一轮类似于微内核系统的演进，解决关键的问题，同时享受一系列的好处。这个里面包括新的架构性的创新，新的软件协同的方法。这个里面一定带来操作系统是非常庞大的系统，这个一定会带来创新者的窘境。

　　对一个大的系统除非出错，否则不要修复。比如说Linux来看的话，在linux里面华为是linux社区的设计者和贡献者，我们是国内唯一一个top10的贡献者，华为在linux社区的贡献排名，去年是在前五。但是作为OS的创新者就必须考虑怎么进行这方面的革命，所以就一定要考虑不同的场景，不同的场景有不同的操作系统，如果考虑新的操作系统一定要有新的演进之路。如果完成一系列革命性的，所有的东西全部推翻这条路一定是走不通的，所以生态一定是协调性的关键，所以一定要继承现有的生态。比如说POSIX，这是API，以及linux的API是一个事实上的标准，那可能就要尽可能兼容才能做扩展，必要的时候可以做一些全域整合。

　　展望来看，我们硬件其实提供了非常新的机遇。硬件逐步在做用户态的可访问以及可虚拟化。而且时延访问越低，所以出现可能推动存储层次在我们操作系统里面完全的革新。比如说话我们可以构建出用户的文件系统，在大的硬件创新过程中可能有新的计算模式的出现。比如说面向服务的计算，或者什么时候颠覆我们现有的APP的模式。

　　最后简单回顾一下历史的预测，这个是Jim Gray，是图灵奖的得主，当时在2006年做了一个预测，当时是新的介质硬件创新的时候，flash刚出来，所以他的预测是tape已死，磁盘替代tape，flash替代磁盘，这个时候我们要更好地用好内存。我在2014年一直强调一点，我们现在新的硬件形态出现可能带来新的硬件变化，就是RAM会替代flash的位置，这个时候我们要更好地考虑缓存的局部性、并行性。原来被硬件的IO能力阻碍的硬件能力要更好地释放出来。

　　所以这个里面可以重新思考操作系统的设计实现，我们在各个层面做了一系列的相关研究，也在相关的学术会议做了论文的发表。

　　小结一下就是我们AIoT带来一些新的硬件特征，需要操作系统进行新的引进，我们单一的宏内核操作系统不能满足操作系统的需求，面向未来来看，技术的演进，再加上硬件上的演进再加上应用的演进可能推出我们新型的AIoT的操作系统，以上是我的汇报，谢谢大家！

　（声明：所有会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，国际在线登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。）