梅宏院士：操作系统变迁有20年周期律

梅宏

中国科学院院士、发展中国家科学院院士、欧洲科学院外籍院士、IEEE FELLOW，中国计算机学会理事长，北京大学信息技术高等研究院智能软件技术与应用研究中心首席科学家。

信息技术发展正在进入人机物融合泛在计算的新时代，软件定义世界、万物均需互联、一切皆可编程将是这个时代的基本特征。就我国而言，建设数字中国、发展数字经济已成为社会经济发展的主旋律，数字化转型、网络化重构、智能化提升正在推进和引领各行各业的深度信息化。新时代带来新需求和新挑战，操作系统技术和产业既迎来了发展的新机遇，又面临着创新的系列新挑战。在这样的背景下，希望能够汇聚产业界各方力量，共同探讨操作系统技术和产业发展的新趋势、新模式和新生态。

回顾操作系统过去近70年的历史，存在主辅两条发展轨道，主线是面向单机的操作系统的发展，其主要目的是面向计算机硬件的发展，提供更好、更高效的硬件资源管理能力，同时面向新的应用需求和用户需求，沉淀应用领域共性，提供更便利易用的人机交互。随着网络技术的发展，计算机不再是孤立的计算单元，而是要经常通过网络与其他计算机进行通信和协作。为此，在单机操作系统发展主线之外，对网络和基于网络的并行、分布计算提供更好的支持就成为操作系统发展的一条重要辅线，中间件、网络操作系统等概念也就围绕这条线索诞生。然而，无论是哪条发展轨道，其共同之目标都是提供一个“向下管理好各种各类资源，向上支撑好各行各业应用”的系统软件平台，而且我们还看到，两条发展轨道一直存在相互借鉴、相互交迭的合一趋势，操作系统概念也一直在扩展和泛化中，出现了互联网操作系统（Internet Operating System）、云计算操作系统（Cloud Operating System）、机器人操作系统（Robot Operating System）、物联网操作系统、基于浏览器Web OS、智慧城市操作系统（Urban OS）、家庭操作系统（Home OS）等新概念。

如果考察操作系统几十年来发展的重要事件及其时间节点，我们不难发现，操作系统的重大变迁似乎存在一个20年周期律，即每20年出现一次跨越式发展机遇，诞生新一代操作系统。从大型主机操作系统，到个人计算机操作系统，再到移动终端操作系统，各领风骚20年。计算机产业有一个“贝尔定律”，说的是计算设备约每10年完成一次升级换代，设备数和用户数均增加一个数量级（10倍），催生新型应用，成为新的蓝海。这也进而推动了操作系统的升级换代和新型操作系统的诞生，进而形成新的操作系统生态。当然，20年律并不是说，原来的操作系统生态就此消亡，让位于新型操作系统，而是新旧生态并存，但新生态在数量规模上却是一到两个数量级的扩张。在这个发展过程中，也出现了一个有趣的现象：每代操作系统形成规模、占领市场后，尚无在原赛道上后发赶超的先例；原赛道霸主也很难在新型操作系统领域延续成功和辉煌；新的生态霸主均无一不想通过“农村包围城市”的路径“回攻”原有生态，如Windows Server已占据70%以上的服务器市场。

考察操作系统发展的现状和主要态势，在传统大型主机和超级计算机领域，依然是Unix及Linux一枝独秀，在桌面个人计算领域，Windows形成垄断，在过去近二十年发展起来的智能终端设备上，基本上被Android和苹果两大生态瓜分。当前，人机物融合泛在计算的新时代正在开启，万物互联、软件定义无疑将带来新需求、新蓝海，当然，也会带来新挑战，是否又将可能催生一个新型操作系统生态发展的新20年？这是可以期待的态势，也是值得努力的方向！

从国家安全和产业安全的视角，追求核心关键技术领域的自主可控一直是我们努力的目标。操作系统和CPU是计算机系统的核心，也是产业生态的核心，更是信息时代安全的基石，无疑属于核心关键技术领域。“缺芯少魂”一直是我国信息技术和产业发展的心头之痛！过去十余年，国内不少企业在传统赛道上，以替代为目标，付出了不懈的努力，推出了系列自主可控的操作系统，应该说成就是巨大的。但是，囿于构建生态的困难，要进入良性发展依然面临巨大的挑战。我认为，在核心关键技术领域追求基于自主可控的替代是应该坚持的目标，也是必须要坚守的战场。另一方面，面对新时代的新蓝海，我们也需要抓住机遇，加快布局，把握和遵循操作系统技术发展的基本规律，围绕人机物融合的泛在计算模式和环境，研究和开发新型操作系统技术及系统，构建新型操作系统生态，通过追求创新发展和卓越引领，建立自主可控的技术体系，避免在新一轮发展周期中出现面向“新蓝海”的“缺芯少魂”。

何为泛在计算？计算无处不在、无迹可寻！要支持人机物融合的泛在计算，我们将面临“云管边端物”乃至“人”的海量异构资源的管理需求，我们也将面临需求、形态多样的新型应用的共性凝练，还将面临应用需求变化频繁、应用场景动态多变的复杂环境，因此，我们需要新的、支持按需灵活定制的软件平台！要实现这样的软件平台，遵循“基础资源虚拟化”和“管理任务可编程”技术本质的软件定义方法就成为不二选择。基于这样的认知以及我们团队过去在面向互联网计算的网构软件和网构操作系统方面的研究和实践，2018年，我提出了泛在操作系统(Ubiquitous operating systems, UOS) 概念，认为，新一代泛在计算模式和场景需要新的、多样性的操作系统，面向不同的计算设备、不同的计算系统、或不同的应用模式和场景，需要构建不同的UOS；UOS是传统操作系统概念的泛化与延伸，其形态呈现为面向单个计算节点的操作系统、或运行在节点操作系统之上的网络层操作系统、或二者的结合；“软件定义”将是实现UOS的基本方法学和技术途径。当前，围绕UOS概念，我们已经针对工业物联领域，在学术界开展了系列研究和实践工作，并取得了初步进展。加强和产业界的紧密合作，将是我们下一阶段的目标。我期待也欢迎产业界感兴趣的企业或工程师，加入并支持这项工作。

经过多年的努力和持续的演进，国内发展操作系统的环境氛围已经具备，依托国家信息技术创新的发展机遇，建立了稳定的用户群体，正在稳步实现市场的良性循环。然而，我们还是应该清醒地认识到，我国的操作系统领域无论从基础研究、技术研发、产品开发和应用、以及人才队伍等方面，距离国际先进水平依然存在较大差距。具体表现在基础研究投入不足，核心技术创新不足，高端人才供应不足，跟随式发展导致路径相对单一，竞争式发展导致缺乏统一标准。中国操作系统发展，需要加强“产学研用”协同创新，改变“小而散”的现状，营造协同攻关氛围，力争形成生态聚合效应。

需要广泛汇聚芯片、整机、操作系统、行业应用和服务商共同参与，形成一个协同创新技术生态，一方面加快操作系统与不同芯片架构和应用软件的适配，另一方面通过全栈优化、架构整合、软硬件协同来提升整体竞争力。

新时代带来新应用，需要各个行业领域面向新场景、新需求给予操作系统技术创新和应用试点的空间，共同营造鼓励新思想、新概念，有利于创新并宽容“失败”的发展环境。

软件开源、硬件开放已成为不可逆的趋势，需要从传统的封闭开发模式转变为开源开发模式，聚集企业、高校和个人的力量，协同推进操作系统技术的迭代创新。当前，国内对开源的重视正达到前所未有的高度，以至于开源社区和平台建设开始出现一定的无序竞争态势。我以为，这是违背开源“贡献为先”的基本精神的，长此以往，也势必带来资源的浪费。加快建设中国的开源生态，更好地支持本土开发者的特色需求，如中文交流、无时差、行业特定需求等，无疑是必要的，但是同时仍需秉承“开放、分享、合作、共建”的开源精神，坚持国际合作与开放，共同打造全球化的开源生态。2016年，我曾通过科学院学部给上级部门上过一个关于开源的咨询报告，这里我想再分享一下我对推动我国软件开源的认识，即“参与融入、蓄势引领”，鼓励企业“参与融入”国际成熟开源社区，争取话语权；汇聚国内软件资源和开源人才，打造自主开源生态，伺机实现引领发展。

需要加强操作系统研发人才培养体系建设，做好教材和课程建设，打牢系统软件人才培养的基础；发挥国家科研项目和评价体系的引导作用，鼓励更多的高校科研选题聚焦系统软件；深化产教融合、校企合作，加快高校科研到企业产品化的成果转换。

我国软件产业还处于产业链的中低端的一个重要原因，是全社会对软件知识产权保护的认识和手段严重缺失。需加强软件知识产权保护的宣传，加强各个领域、各种形态、各种应用场景下的软件技术知识产权保护方法和措施研究以及法规制定，完善健全软件知识产权保护体系并建立严格的实施机制，切实保护软件技术和应用创新。

我们深知，建立一个完整的基础软件生态体系是一项艰巨性、长期性的任务，我国操作系统产业经过十几年探索，进步长足，但仍处起步阶段。目标是明确的，道路是崎岖的。希望我们戮力同心，开放合作，协同创新，尊重规律，尊重市场，在全球化的大背景下，共同谱写中国软件发展最难写、最壮丽的新篇章。