計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的易經(jīng)模型

林 闖

(清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,北京 100084)

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計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的易經(jīng)模型

林 闖

(清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,北京 100084)

易經(jīng)是中華民族寶貴文化遺產(chǎn),它包含上古時(shí)期人們對自然宇宙和人生社會的思想認(rèn)識、哲學(xué)理念和辯證法,代表了先民哲學(xué)地把握宇宙的思維成果.現(xiàn)代科學(xué)的許多重大發(fā)現(xiàn)和突破,如二進(jìn)制、原子結(jié)構(gòu)、生物遺傳DNA等學(xué)科理論,都可以從八卦和六十四卦模型中發(fā)現(xiàn)與之對應(yīng)的形態(tài)和哲學(xué)思維.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(PPCAD)應(yīng)是易經(jīng)這種形態(tài)和思維的一種自然現(xiàn)象和映射對象,利用八卦和六十四卦哲學(xué)思維和策略,提供PPCAD的思路和策略是本文的目標(biāo).本文依據(jù)PPCAD中的基本推演理念,提煉出4對基本對立統(tǒng)一推演關(guān)系,根據(jù)4對基本關(guān)系構(gòu)造了新的易經(jīng)八卦及六十四卦.同時(shí),結(jié)合體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的層次模型方法,指出了易經(jīng)層次模型的特點(diǎn)及動態(tài)性.為了便于對PPCAD易經(jīng)模型的理解,我們選擇了10個(gè)新卦的例子加以說明和表達(dá),同時(shí)也給出了一些PPCAD原則和策略的新觀察.我們想指出,我們的新易經(jīng)模型方法不但可用于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),也可嘗試用于其他復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理.最后,對全文進(jìn)行了總結(jié),并對下一步的研究進(jìn)行了展望.

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)原理；易經(jīng)；易傳；模型

電子學(xué)報(bào)URL:http://www.ejournal.org.cn DOI:10.3969/j.issn.0372-2112.2016.08.001

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)軟、硬技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,尤其計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)+和云計(jì)算的出現(xiàn)和發(fā)展,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究核心,基本設(shè)計(jì)理念更是核心中的核心.

在初始的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義中主要關(guān)注指令集的設(shè)計(jì),在如今的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)[1～3]中人們的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越對指令集的關(guān)注.在廣泛的意義上,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是抽象層次的設(shè)計(jì),允許我們使用有效的制造技術(shù)來完成信息處理應(yīng)用.

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(PPCAD)主要關(guān)注計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4]的概念結(jié)構(gòu)和功能行為(操作效率和模式).在PPCAD中,技術(shù)在以不可預(yù)測的速度發(fā)生著改變,但層次模型及其設(shè)計(jì)方法的核心理念卻依然沒有變化.這些理念可以幫助我們更好地管理系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率.

《易經(jīng)》一書包括《周易》本經(jīng)[5～7]和《易傳》[8]兩部分.《周易》：是西周(公元前1046年—前771年)初年作品.據(jù)司馬遷-史記的記載“伏羲至純厚,作易八卦”.據(jù)傳,在殷商末年,周文王寫下了六十四卦的卦辭.周易原為算卦(卜筮)書,但它包含上古時(shí)期,人們對世界和社會的思想認(rèn)識、樸實(shí)哲學(xué)理念和辯證法.講的是理、象、數(shù)、占.“以立天之道,曰陰與陽.立地之道,曰柔與剛.立人之道,曰仁與義.”

《易傳》：易經(jīng)最古的注解和解說,作于戰(zhàn)國時(shí)期(公元前475年-公元前221年),其學(xué)說本于孔子,具體成于孔子后學(xué)之手.《易傳》使《周易》完成了從占筮之學(xué)到哲學(xué)的過渡.注重語法(《象》傳),取決語意(《彖》傳)和爻辭(言乎變).占斷與所象之間,往往有哲理與邏輯上的聯(lián)系,反映作者的思路、理念和價(jià)值觀.

《易傳·系辭·上》說：“一陰一陽之謂道”.所謂陰陽,是古代中國人發(fā)明的一對哲學(xué)概念,大凡自然界或人類社會中一切相互對立的現(xiàn)象與事物,都可以用陰陽來表示.它們互相依存、互相為用；其運(yùn)動是以彼此消長的形式進(jìn)行的,處于動態(tài)平衡狀態(tài)的變化之中.

易經(jīng)是中華民族寶貴文化遺產(chǎn),它包含上古時(shí)期人們對自然宇宙和人生社會的思想認(rèn)識、哲學(xué)理念和辯證法.現(xiàn)代科學(xué)的許多重大發(fā)現(xiàn)和突破,如二進(jìn)制、原子結(jié)構(gòu)、生物遺傳DNA等學(xué)科理論,都可以從八卦和六十四卦模型變化中發(fā)現(xiàn)與之對應(yīng)的形態(tài)和哲學(xué)思維.PPCAD應(yīng)是易經(jīng)這種形態(tài)和思維的一種自然現(xiàn)象和映射對象,利用八卦和六十四卦哲學(xué)思路和策略,提供PPCAD的原則和策略是本文的目標(biāo).

首先,本文依據(jù)PPCAD推演中的基本理念,提煉出了4對基本對立統(tǒng)一推演關(guān)系,根據(jù)4對基本關(guān)系的構(gòu)造了新的易經(jīng)八卦及六十四卦.其次,結(jié)合PPCAD中的層次模型方法,指出了易經(jīng)的層次模型的特點(diǎn)及動態(tài)性.隨后,為了便于對PPCAD易經(jīng)模型的理解,我們選擇了10個(gè)新卦的例子加以說明和表達(dá).最后,對全文進(jìn)行了總結(jié),并對下一步的研究進(jìn)行了展望.

2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本理念和對立統(tǒng)一關(guān)系

在初始的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義中主要關(guān)注指令集的設(shè)計(jì),在如今的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中人們的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越對指令集的關(guān)注.在廣泛的意義上,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是抽象層次的設(shè)計(jì),允許我們使用有效的制造技術(shù)來完成信息處理應(yīng)用.

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要關(guān)系計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能行為,不同于數(shù)據(jù)流和控制的組織、邏輯設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)[9].

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問題是提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行和服務(wù)的效率問題,在這個(gè)問題上有效的設(shè)計(jì)理念包括：

(1)發(fā)揮并行的優(yōu)勢

(a)通過多處理器或多硬盤來增加服務(wù)計(jì)算機(jī)的吞吐量.

(b)流水線操作：將一條指令的執(zhí)行分割成幾個(gè)步驟,交疊指令的執(zhí)行以減少指令序列執(zhí)行的總時(shí)間.

(2)定位(Locality)原理

(a)時(shí)間定位:如果一個(gè)條目被涉及,那么它將不久傾向再被涉及.

(b)空間定位:如果一個(gè)條目被涉及,那么它地址臨近的條目將不久傾向被涉及.

(3)聚焦常見情況

在做設(shè)計(jì)折中考慮時(shí),優(yōu)先考慮常見情況高于非常情況.

老子曰：“大道至簡”,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)思想理念并沒有發(fā)生根本性變化,事物發(fā)展螺旋式上升,表現(xiàn)出更高級的表達(dá)形式.即,“道,可道,非常道;名,可名,非常名.”[10]

從根本設(shè)計(jì)理念來看,分布、并行大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng),如數(shù)據(jù)中心和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都可透視或抽象看作一個(gè)計(jì)算機(jī)[11].多個(gè)節(jié)點(diǎn)和部件地理位置可分散,計(jì)算、I/O與存儲可分離,它們可由網(wǎng)絡(luò)連接,它們的操作模式可并行化執(zhí)行.系統(tǒng)的組成不論硬、軟件都可以看作服務(wù)部件[12],他們的發(fā)展變化的結(jié)構(gòu)性質(zhì)都可以用剛?cè)崽匦詠肀磉_(dá).

因此,從PPCAD來看,主要涉及如下4個(gè)方面:

(1)空間：表示節(jié)點(diǎn)、部件的拓?fù)潢P(guān)系和位置分布.

(2)時(shí)間：表示系統(tǒng)操作、行為的執(zhí)行時(shí)序.

(3)服務(wù)：表示系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求的關(guān)鍵要素.

(4)結(jié)構(gòu)：表示體系結(jié)構(gòu)及其模塊和層次的剛?cè)嵝再|(zhì).

推動計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)程(螺旋式上升)的4個(gè)方面所對應(yīng)的4對基本對立統(tǒng)一的推演關(guān)系為:

(1)空間：集中—分散;

(2)時(shí)間：串行—并行;

(3)服務(wù)：供給—需求;

(4)結(jié)構(gòu)：剛性—柔性.

在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中,基本關(guān)系都有具體的表達(dá)和含義.具體地,這4種基本對立統(tǒng)一關(guān)系及其模型含義如表1中所示.

表1 4對基本對立統(tǒng)一關(guān)系的模型含義

3 基本對立統(tǒng)一關(guān)系的八卦及六十四卦模型

在第2節(jié)中介紹了PPCAD中所抽象的最基本對立統(tǒng)一關(guān)系,它們以不同的方式、從不同的角度刻畫PPCAD中的多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)及其推演,在本節(jié)中將給出4對關(guān)系所對應(yīng)的八卦模型,以及由八卦組合成的六十四卦.

八卦是對宇宙萬物相反屬性事物推演變化的模型思考,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模型應(yīng)是這種思考的一種自然現(xiàn)象的模型和映射,利用八卦哲學(xué)思路和策略,可以提供計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和策略.

《系辭上傳》曰“生生之謂易,成象之謂乾,效法之謂坤,極數(shù)知來之謂占,通變之謂事,陰陽不測之謂神.”“通變和不測”可以對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)理解和發(fā)展起到指導(dǎo)作用.

3.1 PPCAD基本理念的新八卦和六十四卦

如何給出新八卦模型？PPCAD的4對基本對立統(tǒng)一關(guān)系與易經(jīng)八卦的4對基本對立統(tǒng)一關(guān)系的一一映射是關(guān)鍵.老子曰：“道法自然”[10],按自然法則進(jìn)行映射.

易傳曰“乾知大始,坤作成物.”集中是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的開始,分散是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展.集中和分散是計(jì)算機(jī)部件連接形狀和位置分布的表達(dá).

《系辭上傳》曰“剛?cè)嵯嗄?八卦相蕩.”山為剛,澤為柔,剛?cè)崾窍到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)性質(zhì)主要的表達(dá).

水在河流中順序流動,火的燃燒并發(fā)而行,且有多個(gè)火頭.水與火的行進(jìn)與計(jì)算機(jī)的串行與并行操作相類似.

雷為實(shí),風(fēng)為虛.供給與需求的性質(zhì)同雷與風(fēng)的性質(zhì)雷同.

按照易傳“天地定位,山澤通氣,水火相逮,雷風(fēng)不相悖.”的關(guān)系屬性,我們有如表2的對應(yīng)表達(dá).

表2 對應(yīng)關(guān)系表達(dá)的比較

確定了PPCAD的4對基本對立統(tǒng)一關(guān)系及他們與原易經(jīng)中4對基本對立統(tǒng)一關(guān)系的對應(yīng)表達(dá),我們就可得到PPCAD的新八卦模型,如圖1所示.進(jìn)而可得到PPCAD的新六十四卦模型,如圖2所示.在六十四卦中,每一個(gè)別卦由兩個(gè)經(jīng)卦組成.它的上經(jīng)卦叫上卦,或者叫外卦.它的下經(jīng)卦叫下卦,或者叫內(nèi)卦，卦義以主題(發(fā)展方向)經(jīng)卦為主，副題經(jīng)卦為輔.

3.2 新易經(jīng)的解語

我們在PPCAD的新八卦中做了如下映射：集-乾、散-坤、供-震、需-巽、剛-艮、柔-兌,如同易經(jīng)已有下列映射一樣：天-乾、地-坤、雷-震、風(fēng)-巽、山-艮、澤-兌.本經(jīng)和易傳中一切解語沒有變,變化的是經(jīng)卦的名和對應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理概念.我們的目標(biāo)是應(yīng)用易經(jīng)來模型PPCAD,并抽象出新的設(shè)計(jì)原則和思路.

“三十六計(jì)[13]”是易經(jīng)應(yīng)用的經(jīng)典例證,三十六計(jì)中的多數(shù)解語,是選用易經(jīng)的思維認(rèn)識和哲學(xué)理念作為依據(jù),即,以“易”演兵.

三十六計(jì)用易經(jīng)的陰陽變理,推演戰(zhàn)爭中的基本對立統(tǒng)一關(guān)系的相互轉(zhuǎn)化,使每一計(jì)都含有樸實(shí)的軍事辯證法的色彩.

三十六計(jì)分為6套計(jì),即,將敵我力量對比強(qiáng)弱和程度分成6種情景.每套計(jì)中,按基本對立統(tǒng)一關(guān)系各給出1計(jì).

我們PPCAD八卦模型的思路與三十六計(jì)有一些相同,也所不同.我們有完整的八卦和六十四卦模型,每一卦都有它的思維認(rèn)識和哲學(xué)理念作為PPCAD中理念抽象的依據(jù),以“易”演“算”.

我們的基本對立統(tǒng)一關(guān)系可以交疊在一起,如同經(jīng)卦交疊成別卦一樣,可闡述我們多目標(biāo)多關(guān)系的設(shè)計(jì)理念.

如何讀懂易經(jīng)新的影射,并抽象出我們的設(shè)計(jì)理念？對易經(jīng)卦的理解和表達(dá)方法可有取義說、取象說、爻位說.

學(xué)習(xí)三十六計(jì)的思路,做到“數(shù)中有術(shù),術(shù)中有數(shù).”“解語重?cái)?shù)不重理.蓋理,術(shù)語自明；而數(shù)則在言外.”

我們注重卦象-哲理-理念的抽象過程,通過對應(yīng)的卦象觀察,經(jīng)過卦中所闡述的主要思維認(rèn)識和哲學(xué)理念,最后可以抽象得到相應(yīng)模型的PPCAD基本理念表達(dá).

3.3 易經(jīng)的層次模型

為了表達(dá)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重要層次設(shè)計(jì)理念,易經(jīng)模型也要有層次模型的表達(dá).易經(jīng)本質(zhì)就是層次模型,我們從兩個(gè)層面來論述卦的層次關(guān)系.

首先,描述易經(jīng)卦的層次模型：

(1)六十四卦的每一卦是由八卦的兩個(gè)經(jīng)卦相疊而形成,每個(gè)經(jīng)卦有其獨(dú)立卦形和卦意.因此,卦象有上下兩層,也可說有內(nèi)外之分.

(2)六十四卦的每一卦中有六爻,爻層在經(jīng)卦層次之間可以跨越.如在第21噬嗑卦中：“柔得中而上行”.

現(xiàn)在,描述易經(jīng)六爻的層次模型：

(1)六爻層從下往上數(shù),反映占筮預(yù)測未知的特質(zhì),表示物體由下而上的位置,或事物漸進(jìn)、發(fā)展的先后與過程.同計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)層次過程的表達(dá)方法一樣.

(2)可明顯表達(dá)天、地、人之位的三維空間,即初、二為地位,三、四為人位,五、上為天位,既所謂“三才”.《易傳》曰“六爻之動,三極之道也”.

(3)易經(jīng)中可有兩類爻層.陽爻層代表剛健、粗大、動蕩、孤獨(dú)之物,陰爻層代表柔順、細(xì)小、靜止、雙兩之物.

從對易經(jīng)層次模型的描述中,我們可以知道易經(jīng)有如下特點(diǎn)：

(1)易經(jīng)層次模型的變化性：《系辭下傳》曰“八卦成列,象在其中矣.因而重之,爻在其中矣.剛?cè)嵯嗤?變在其中矣.”

(2)易經(jīng)模型和推演中的自然可以形成抽象與虛擬概念：六爻的層次由底向上逐層抽象.大多數(shù)情況下,五位最尊,陽爻更甚,有謂“九五之尊”.另外,在易經(jīng)卦的推演中,可以充分表達(dá)抽象與虛擬層次模型語意,見下面舉例.

從上述論述中,我們可以得出,易經(jīng)層次模型語意豐富,并超越現(xiàn)有計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)層次模型語意,尤其是層次相互作用,對將來層次模型設(shè)計(jì)應(yīng)有新指引.易經(jīng)的層次模型是我們迄今所知的最早層次模型,是最富動態(tài)變化的層次模型.

4 設(shè)計(jì)理念與對應(yīng)卦的舉例

為了便于對PPCAD易經(jīng)模型的理解,也為了說明新易經(jīng)模型對PPCAD的指導(dǎo)作用,我們選擇了10個(gè)例子,給出了作者初步的抽象和理解,希望對讀者有所幫助,當(dāng)然讀者也可以有自己不同的抽象和理解.

每個(gè)例子對應(yīng)一卦,也對應(yīng)一個(gè)PPCAD理念.10個(gè)PPCAD理念涵蓋了很多當(dāng)前PPCAD的基本原則和新發(fā)展及新思路,其余新易經(jīng)卦的理解和PPCAD理念的提出是我們未來的工作.在例子中,我們注重了卦象-哲理-理念的抽象過程,通過對應(yīng)的卦象觀察,經(jīng)過卦中所闡述的主要思維認(rèn)識和哲學(xué)理念,最后可以抽象得到相應(yīng)PPCAD理念的表達(dá).

例1 串行供給—?jiǎng)佣怆U(xiǎn)—可計(jì)算性

第40卦:解卦,卦象:串行在下供給在上,串行是陰卦,供給是陽卦,為異卦相疊.

本卦描述了一種哲學(xué)計(jì)算模型,基本思路是可將一個(gè)問題的計(jì)算分拆為一系列操作,按串行序列做.《彖》曰：“動而免乎險(xiǎn),解”是說,如果能夠做下去,就有解.否則,就危險(xiǎn),無解.《彖》曰：“解之時(shí)大唉哉！”,可計(jì)算性的意義重大,是計(jì)算機(jī)重要基礎(chǔ)理論模型.1936年的圖靈機(jī)[14](Turing Machine)提出也是基于同樣的哲學(xué)思想,隨后圖靈又提出了圖靈機(jī)的形式化模型.

例2 集中疊加—集中有散—超算

第1卦:乾卦,卦象:集上集下,是集中疊加,集中是陽卦,為陽卦相疊.

36計(jì)的第1計(jì)曰：“陰在陽之內(nèi),不在陽之對.太陽,太陰.”集中之中必有分散連接,集中與分散可以相互轉(zhuǎn)化；強(qiáng)化集中,也要強(qiáng)化分散連接.反之亦然.

集中再集中是超級計(jì)算機(jī)的思路,例如：從超級計(jì)算機(jī)[15]、Data Center[16]到云計(jì)算[17,18]等.超算會遇到各種挑戰(zhàn)和障礙“墻”,集中有散是解決之道.《象》曰：“天德,不可為首也.”集散互換,沒有先后,沒有首領(lǐng),集散聯(lián)合起來可獲得更大成功.

例3 需下剛上—柔止于剛—虛擬

第18卦：蠱卦,卦象：需下剛上,下卦需求為柔,為陰卦,上卦剛性,為陽卦,陽陰相疊.

柔性可表達(dá)為系統(tǒng)的多個(gè)不同(或相同)需求的部件,《彖》曰：“巽而止,蠱.”,統(tǒng)一在規(guī)定的剛性界面下服務(wù).將物理部件可以看作邏輯部件,部件柔順而靜止.如36計(jì)的第21計(jì)所說界面“存其形,完其勢”,相應(yīng)于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的虛擬設(shè)計(jì)策略[19,20].

例4 集中柔性—?jiǎng)倹Q柔—抽象

第43卦：卦,卦象：集中在下,柔性在上,柔乘五剛之象.

《彖》曰：“,決也,剛決柔也.”將柔性多樣性,統(tǒng)一抽象為剛性的一致標(biāo)準(zhǔn)或界面,如36計(jì)的第5計(jì)所說：“就勢取利,剛決柔也”.《彖》曰：“健而說,決而和.”,抽象的結(jié)果系統(tǒng)穩(wěn)健而和諧.

例5 剛下柔上—?jiǎng)側(cè)岣袘?yīng)—可控制

第31卦：咸卦,卦象：剛性在下,柔性在上,陽陰相疊.

本卦所描述的系統(tǒng),內(nèi)部有統(tǒng)一的平臺界面或標(biāo)準(zhǔn)為剛,外部為應(yīng)用環(huán)境或控制程序?yàn)槿?《彖》曰：“咸,感也.柔上而剛下,二氣感應(yīng)以相與.”內(nèi)外相互感應(yīng)感知,緊密結(jié)合,表現(xiàn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可控制性.

以SDN網(wǎng)絡(luò)[21]為例,軟件定義的控制程序?yàn)槿?OpenFlow[22]標(biāo)準(zhǔn)界面為剛.但SDN在控制程序與OpenFlow界面互相感應(yīng)的可控性和系統(tǒng)的可部署性及性能等方面需要進(jìn)一步的發(fā)展.

例6 分散并行—空間換時(shí)間—并行效率

第35卦：晉卦,卦象：分散在下,并行上.陰柔之爻由初位上升至六五爻位,柔進(jìn)而上行.

《彖》曰：“晉,進(jìn)也.明出地上,順而麗乎大明.”分散基礎(chǔ)之上進(jìn)行并行操作,操作執(zhí)行上等于空間換時(shí)間,充分發(fā)揮并行操作的優(yōu)勢,提高執(zhí)行效率,順而亮麗,進(jìn)展可蒸蒸日上.

例7 并下柔上—順天應(yīng)人—順應(yīng)變革

第49卦：革卦,卦象：并行在下,柔性在上.并卦主爻是陰爻,柔卦又是陰卦,其志不相得.

并行操作與柔性要求會有沖突,需要變革.《彖》曰：“順乎天而應(yīng)乎人”,體系架構(gòu)設(shè)計(jì)要順應(yīng)變革,要順應(yīng)時(shí)代和人們的柔性要求,變革的意義才能重大.

變革式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,又稱為“clean-slate”[23],其出發(fā)點(diǎn)是突破現(xiàn)有限制,放棄現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu),重新設(shè)計(jì)新一代體系結(jié)構(gòu),從根本上解決現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)存在的問題.例如,OpenFlow[24]、NDN[25]等網(wǎng)絡(luò)都是基于這一思路進(jìn)行的設(shè)計(jì).

例8 供給并行—柔得中上行—可管理

第21卦：噬嗑,卦象：供給在下,并行在上.六二居下供給中間,向上運(yùn)動成為六五.

《彖》曰：“剛?cè)岱?動而明,雷電合而章,柔得中而上行,雖不當(dāng)位,利用獄也.”供給的剛性要求和并行中的柔性操作本來是分開的,但在系統(tǒng)執(zhí)行中,供給中的不確定性可以上升為并行中的柔性操作,執(zhí)行中反饋.供給與并行合起來,得到章法,有力于系統(tǒng)的管理.

例9 柔性集中—以柔克剛—可演進(jìn)

第10卦：履卦,卦象：柔性在下,集中在上,陰爻的柔踩在陽爻的剛上.

《彖》曰：“履,柔履剛也.”柔性在下,從循環(huán)關(guān)系和規(guī)律上說,下柔必沖破上剛,于是出現(xiàn)“柔克剛”之象,柔性變化改變了剛性的規(guī)定,即,系統(tǒng)演進(jìn)的進(jìn)程.

演進(jìn)式設(shè)計(jì)思路,又稱為“dirty-slate”[26,27].其思路是針對現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)存在的不足進(jìn)行增量式的修補(bǔ).如解決網(wǎng)絡(luò)地址問題的CIDR協(xié)議,解決傳輸服務(wù)質(zhì)量問題的CDN體系結(jié)構(gòu)[28]等.體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展會不斷地尋求新的平衡點(diǎn),而任何對技術(shù)形態(tài)的一種最終預(yù)測都是不準(zhǔn)確也不必要的.

例10 需下并上—柔進(jìn)應(yīng)剛—可擴(kuò)展

第50卦：鼎卦,卦象：需求在下,并行在上.本卦初爻為陰為柔,可升到六五爻,地位上升.

《彖》曰：“柔進(jìn)而上行；得中而應(yīng)乎剛.”需并擴(kuò)展是風(fēng)火燎原之象,而柔進(jìn)得中應(yīng)剛,是說需求的柔性要求不斷改進(jìn),適用剛性的規(guī)定.上九《象》曰：“剛?cè)峁?jié)也.”剛?cè)岬玫秸{(diào)節(jié),進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)可擴(kuò)展[29].

5 總結(jié)與展望

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的發(fā)展核心,在計(jì)算機(jī)發(fā)展中PPCAD起引領(lǐng)作用.到目前為止,PPCAD雖有一些原則和思想的突破,但亟待需要一個(gè)完整有效的設(shè)計(jì)理念體系和模型.作者認(rèn)為,易經(jīng)作為中華民族寶貴文化遺產(chǎn),代表了先民哲學(xué)地把握宇宙的思維成果.PPCAD可以從易經(jīng)六十四卦模型變化中發(fā)現(xiàn)與之對應(yīng)的形態(tài)和哲學(xué)思維,可以提供一個(gè)完整有效的PPCAD體系和模型.通過我們的初步工作,我們相信讀者可以看出一個(gè)端倪.通過PPCAD與對應(yīng)卦的舉例,可以看到一些PPCAD原則和策略的新觀察.也可以看到,易經(jīng)層次模型語意豐富,尤其是層次相互作用,對將來層次模型設(shè)計(jì)應(yīng)有新指引.

本文的研究成果僅是易經(jīng)在PPCAD中應(yīng)用的初步,以“易”演“算”及對新易經(jīng)和每一卦的理解和PPCAD新理念的提出是我們下一步工作的方向.在六十四卦中,我們認(rèn)為各卦并不是截然分開,而是相互包含,相互交錯(cuò),是一個(gè)整體.研究各卦之間的相互關(guān)系,并抽象出相應(yīng)的PPCAD有效原則,是亟待解決的研究難點(diǎn)之一.

此外,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析是一個(gè)研究的兩個(gè)方面.根據(jù)新易經(jīng)模型的4個(gè)基本對立統(tǒng)一關(guān)系,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分析應(yīng)有4維性能參數(shù)與之對應(yīng).如何在多目標(biāo)評價(jià)與優(yōu)化中根據(jù)不同目標(biāo)之間的關(guān)系,建立全面系統(tǒng)的多目標(biāo)評價(jià)與優(yōu)化理論,設(shè)計(jì)普適性的數(shù)學(xué)模型和方法,是亟待解決的研究難點(diǎn),也是計(jì)算機(jī)學(xué)科中評價(jià)與優(yōu)化理論的一個(gè)發(fā)展方向[30].

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林 闖 男,1948年生,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)性能評價(jià)、隨機(jī)Petri網(wǎng)和易經(jīng)模型.

E-mail:chlin@tsinghua.edu.cn

Philosophical Principles of Computer Architecture Design in the I Ching

LIN Chuang

(DepartmentofComputerScienceandTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084)

The I Ching is one of the most precious cultural heritages of the Chinese nation.It contains ancient people's understanding,philosophy and dialectics of the universe and human society,which represents the philosophical thinking of ancestor about universe.Observing many significant scientific discoveries and breakthroughs such as the theory of binary discipline,atomic structure,DNA,etc.,we can find the corresponding form and philosophy in the Eight Diagrams and Sixty-four Diagrams.Thus,Philosophical Principles of Computer Architecture Design (PPCAD) is a natural phenomenon and mapping object of both form and mind of the I Ching.Learning from the Eight Diagrams and Sixty-four Diagrams,we aim to provide ideas and strategies for PPCAD.According to basic concept of PPCAD,this paper refines 4 pairs of the fundamental unity of opposites of deduction and then constructs a new version of the I Ching,the Eight Diagrams and Sixty-four Diagrams.Meanwhile,combining the hierarchical model approach in PPCAD,this paper offers the feature and dynamic nature of hierarchical model for the I Ching.In order to facilitate the I Ching model forPPCAD,we selects 10 new examples of Chinese divinatory symbols to illustrate and express it,and we also share our new observation on principles and strategies of PPCAD.Finally,this paper makes a conclusion and proposes the research plans for future works.

computer architecture;philosophical principles of design;the I Ching;Yi-Zhuan;model.

2016-01-07;

2016-02-22;責(zé)任編輯：諸葉梅

國家自然科學(xué)基金(No.61472199);清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目(No.20121087999)

TP302.1

A

0372-2112 (2016)08-1777-07