一種新型信息基礎(chǔ)設(shè)施：高通量低熵算力網(wǎng)（信息高鐵）

徐志偉 李國(guó)杰 孫凝暉

1 中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100190

2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190

3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100049

信息基礎(chǔ)設(shè)施（cyberinfrastructure），是指承載各種信息應(yīng)用的系統(tǒng)平臺(tái)，包括由終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等基礎(chǔ)軟硬件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院 2009 年發(fā)表了《中國(guó)至 2050 年信息科技發(fā)展路線圖》戰(zhàn)略研究報(bào)告[1,2]。在 12 年后，該報(bào)告提出的信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展趨勢(shì)變得更加清晰，即從現(xiàn)在至 2050 年，世界將興起一種新型信息基礎(chǔ)設(shè)施——高通量低熵算力網(wǎng)（high-goodput, low-entropy computing network），被形象地簡(jiǎn)稱為“信息高鐵”（Information Superbahn）。

現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)有 1 個(gè)共同點(diǎn)：系統(tǒng)平臺(tái)提供盡力而為的基礎(chǔ)設(shè)施，由應(yīng)用開(kāi)發(fā)者降低各種無(wú)序波動(dòng)，保障用戶體驗(yàn)。區(qū)別于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)，信息高鐵有 2 個(gè)顯著特征：① 在基礎(chǔ)設(shè)施層提供對(duì)低熵有序性質(zhì)的支持，降低各種無(wú)序混亂對(duì)用戶體驗(yàn)的負(fù)面影響，從而顯著提升應(yīng)用品質(zhì)、系統(tǒng)通量、系統(tǒng)效率；② 原生支持“人機(jī)物”三元融合，適應(yīng)智能萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的各種應(yīng)用。然而，這 2 個(gè)新特征難以通過(guò)現(xiàn)有系統(tǒng)的延續(xù)式增量?jī)?yōu)化實(shí)現(xiàn)，需要研究新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、抽象與方法。

1 萬(wàn)物智能互聯(lián)時(shí)代對(duì)新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的需求

萬(wàn)物智能互聯(lián)時(shí)代對(duì)信息基礎(chǔ)設(shè)施提出了新需求。信息高鐵在計(jì)算模式、計(jì)算性能、用戶體驗(yàn)、應(yīng)用效率 4 個(gè)方面的新需求較為鮮明突出，即信息高鐵應(yīng)支持“人機(jī)物”模式、高通量性能、高品質(zhì)體驗(yàn)，以及全生命周期效率。

1.1 “人機(jī)物”三元融合的計(jì)算模式

不同于圖靈機(jī)等理論計(jì)算模型，計(jì)算模式是指貫穿從理論到應(yīng)用的全棧使用模型與執(zhí)行模型，如交互式計(jì)算、云計(jì)算、圖計(jì)算等。計(jì)算模式在歷史上出現(xiàn)了 4 個(gè)時(shí)代與 3 次大的變遷：①由約翰·利特爾在1954年提出，即系統(tǒng)處理任務(wù)時(shí)，吞吐率=并發(fā)度/延遲。手工計(jì)算時(shí)代（數(shù)千年前至今），如人使用算盤(pán)求兩數(shù)之和；②英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，其核心內(nèi)容為：?jiǎn)挝幻娣e的集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月便會(huì)增加1倍。計(jì)算機(jī)一元計(jì)算時(shí)代（1946 年至今），如超級(jí)計(jì)算機(jī)求解方程組；③ “人機(jī)”二元計(jì)算時(shí)代（2000 年至今），如構(gòu)建視覺(jué)數(shù)據(jù)集 ImageNet；④ “人機(jī)物”三元計(jì)算時(shí)代（正在開(kāi)始），尚無(wú)鮮明完整實(shí)例。

在跨度數(shù)千年的時(shí)間里，人類(lèi)（人）使用算籌、算盤(pán)、紙和筆等原始計(jì)算工具（機(jī)）實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程。這種手工模式每一微小步驟都需要人工操作，速度太慢，在 20 世紀(jì)被數(shù)字電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行整個(gè)計(jì)算過(guò)程的一元計(jì)算模式替代?！笆止び?jì)算”向“計(jì)算機(jī)一元計(jì)算”的變遷引發(fā)了當(dāng)代計(jì)算機(jī)革命。

21 世紀(jì)初發(fā)生了“計(jì)算機(jī)一元計(jì)算”向“人機(jī)二元計(jì)算”的模式變遷[3,4]。一個(gè)例子是李飛飛和李凱團(tuán)隊(duì)的 ImageNet 基準(zhǔn)測(cè)試集構(gòu)建項(xiàng)目。通過(guò)云計(jì)算工具，他們?cè)谌蚬蛡蛄藬?shù)千普通人來(lái)人工標(biāo)注幾百萬(wàn)張圖片，將預(yù)計(jì) 19 年才能完成的“構(gòu)建 ImageNet 知識(shí)本體”的計(jì)算過(guò)程縮短至不到 3 年時(shí)間。

從現(xiàn)在到 2050 年期間，將產(chǎn)生以“人機(jī)物”三元計(jì)算為特征的計(jì)算模式變遷，即“計(jì)算機(jī)一元計(jì)算”與“‘人機(jī)’二元計(jì)算”向“‘人機(jī)物’三元計(jì)算”變革；出現(xiàn)各種“人機(jī)物”三元融合的計(jì)算系統(tǒng)；人、機(jī)、物將成為計(jì)算過(guò)程的執(zhí)行主體和對(duì)象客體。簡(jiǎn)而言之，人類(lèi)社會(huì)、信息空間、物理世界都會(huì)成為計(jì)算系統(tǒng)的模塊集合。

1.2 高通量的計(jì)算性能

“人機(jī)物”三元融合的一個(gè)趨勢(shì)是信息基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋的信息設(shè)備數(shù)量將大幅增加，進(jìn)而出現(xiàn)萬(wàn)億設(shè)備新世界[5]。其中，絕大部分設(shè)備將是面向物理世界的物端設(shè)備，而不是桌面電腦和智能手機(jī)等人端設(shè)備。與包含數(shù)十億設(shè)備的現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)相比，這些數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的信息設(shè)備將產(chǎn)生數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的并發(fā)任務(wù)，需要信息基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量級(jí)提升任務(wù)吞吐率（throughput）?！袄钐貭柖伞保↙ittle’s Law）①可能會(huì)取代“摩爾定律”（Moore’s Law）②，成為未來(lái)信息系統(tǒng)的重要指導(dǎo)原理[6]。信息高鐵強(qiáng)調(diào)低熵有序，追求的是高通量計(jì)算（high-goodput computing）；其性能指標(biāo)是通量（goodput），即保質(zhì)任務(wù)吞吐率，也就是單位時(shí)間完成的保質(zhì)任務(wù)數(shù)。

借鑒半導(dǎo)體芯片制造業(yè)的良率（yield）概念，可定義信息高鐵的良率，即為：

良率=保質(zhì)任務(wù)數(shù)/總?cè)蝿?wù)數(shù)。

因此，信息高鐵的通量為：

通量=任務(wù)吞吐率×良率。

類(lèi)比交通業(yè)，保質(zhì)任務(wù)可看作高鐵中準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地的乘客，那么保質(zhì)任務(wù)集合即為總?cè)蝿?wù)集合中去除下列非保質(zhì)任務(wù)，包括非載荷任務(wù)（司機(jī)和乘務(wù)員）、未完成任務(wù)（未到目的地就下車(chē)的乘客）、重復(fù)任務(wù)（上錯(cuò)車(chē)乘客），以及不滿足用戶體驗(yàn)的任務(wù)（高鐵延誤的乘客）。

1.3 高品質(zhì)的用戶體驗(yàn)

過(guò)去 20 年，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用取得了長(zhǎng)足發(fā)展，一個(gè)重要經(jīng)驗(yàn)是業(yè)界實(shí)踐了一條基本原理：用戶體驗(yàn)不佳的功能是不存在的功能。例如，微信應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了每條微信消息在數(shù)據(jù)中心多副本備份且讀寫(xiě)延遲小于數(shù)十毫秒的指標(biāo)，用以保障“微信消息瞬時(shí)可靠傳遞”的用戶體驗(yàn)。信息高鐵需要繼承這條原理，并在基礎(chǔ)設(shè)施層提供支持，限制用戶體驗(yàn)的無(wú)序波動(dòng)和混亂行為。

特別需要發(fā)展有助于保障“受限尾行為”的平臺(tái)技術(shù)，因?yàn)樾畔⒏哞F中的計(jì)算任務(wù)并不需要 100% 的都是保質(zhì)任務(wù)。受限尾行為涵蓋高品質(zhì)的多類(lèi)指標(biāo)，如功能、性能、適應(yīng)性、安全性等。典型需求例子包括：99.9 百分位的任務(wù)低成本完成；99.99 百分位的任務(wù)按時(shí)完成；99.999 百分位的任務(wù)產(chǎn)生正確結(jié)果；99.9999 百分位的任務(wù)滿足隱私保護(hù)法規(guī)……

1.4 全生命周期的應(yīng)用效率

《中國(guó)至 2050 年信息科技發(fā)展路線圖》報(bào)告指出，中國(guó)將在 2035—2050 年期間進(jìn)入中高級(jí)信息化社會(huì)。信息基礎(chǔ)設(shè)施必須支持中高級(jí)信息社會(huì)應(yīng)用模式的各種新形態(tài)。傳統(tǒng)模式是安裝一套應(yīng)用軟件，然后穩(wěn)定使用數(shù)年，但這種模式的占比只會(huì)越來(lái)越小。未來(lái)的常態(tài)將是眾多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)且快速迭代升級(jí)，以滿足不斷變化的價(jià)值創(chuàng)新與業(yè)務(wù)運(yùn)維需求，及安全隱私保護(hù)與合規(guī)監(jiān)管要求。

因此，信息高鐵的應(yīng)用效率強(qiáng)調(diào)全生命周期效率，涵蓋設(shè)計(jì)研發(fā)效率、運(yùn)行效率、部署運(yùn)維效率、性能功耗比（能效）等。由于“摩爾定律”放緩，需要更大力度探索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件棧創(chuàng)新、從元器件到應(yīng)用層的跨層協(xié)同設(shè)計(jì)、貫穿生命周期的敏捷過(guò)程與工具。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）已經(jīng)提出了能效為每瓦每秒 3 千萬(wàn)億次運(yùn)算的前瞻目標(biāo)[7]。

2 信息高鐵的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

構(gòu)建和使用信息高鐵這樣的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施必須解決計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的新問(wèn)題。文章簡(jiǎn)要討論了信息高鐵的 4 類(lèi)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題及其相關(guān)研究（圖 1）。最基本的問(wèn)題是研究信息高鐵的新型系統(tǒng)抽象，有效地支持各類(lèi)信息高鐵應(yīng)用。這些新抽象合起來(lái)在計(jì)算模式、體系結(jié)構(gòu)、編程運(yùn)維 3 個(gè)方面提供原生融合“人機(jī)物”、無(wú)縫銜接端邊云和敏捷開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)體的新能力。

圖1 信息高鐵的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題Figure 1 Key research problems of Information Superbahn

2.1 原生支持“人機(jī)物”三元融合的計(jì)算模式

計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展數(shù)十年來(lái)，主要的方法論是將人類(lèi)社會(huì)和物理世界的各種特定問(wèn)題在圖靈機(jī)或馮 · 諾依曼機(jī)之類(lèi)通用數(shù)字計(jì)算機(jī)上建模，并通過(guò)編程和通用計(jì)算找到對(duì)該特定問(wèn)題的解答。這是一種行之有效但繞了一圈的非自然方法論，有其一定的固有內(nèi)生開(kāi)銷(xiāo)。然而，每一個(gè)特定的“人機(jī)物”應(yīng)用都有特定需求，并不總是需要使用通用圖靈機(jī)的最壞情況思維。Kelly 將傳統(tǒng)方法論的“特定→通用→特定”映射的固有開(kāi)銷(xiāo)稱為“圖靈稅”[8]。進(jìn)一步，我們認(rèn)為“圖靈稅”還包括了“人機(jī)物”→機(jī)→“人機(jī)物”映射的固有開(kāi)銷(xiāo)。因此，降低“圖靈稅”是實(shí)現(xiàn)高通量計(jì)算的重要途徑。例如，圖靈計(jì)算模型要求在計(jì)算過(guò)程開(kāi)始前將輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表放入通用圖靈機(jī)的輸入紙帶，圖靈機(jī)停機(jī)時(shí)計(jì)算結(jié)果則已放入輸出紙帶。若使輸入數(shù)據(jù)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移表、輸出數(shù)據(jù)在“人機(jī)物”三元世界中更自然地原生變換，那么信息高鐵就成為“人機(jī)物”作為原生對(duì)象、“人機(jī)物”提供算力的計(jì)算網(wǎng)。這大不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其本質(zhì)上是通信網(wǎng)，并由計(jì)算機(jī)提供算力。

Kuppe等③Kuppe M A, Lamport L, Ricketts D.The TLA+ toolbox.Proceedings Fifth Workshop on Formal IntegratedDevelopment Environment.(2019-12.23)[2021-01-10].https://arxiv.org/abs/1912.10633.提出的行動(dòng)時(shí)序邏輯（TLA）近年來(lái)在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但 TLA 的更深刻本質(zhì)是一種“人機(jī)物”狀態(tài)機(jī)。原生刻畫(huà)“人機(jī)物”三元計(jì)算過(guò)程還涉及一個(gè)本質(zhì)的矛盾，其既需要刻畫(huà)人類(lèi)社會(huì)和物理世界無(wú)所不在的原生模擬量現(xiàn)象，又需要繼承數(shù)字計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。Platzer[9]最近提出了微分動(dòng)態(tài)邏輯（differential dynamic logic），能夠刻畫(huà)包含諾特環(huán)的微分方程的邏輯不變性，是對(duì)實(shí)現(xiàn)“人機(jī)物”三元計(jì)算的有益探索。

從應(yīng)用角度看，“人機(jī)物”原生融合的一個(gè)表現(xiàn)是計(jì)算過(guò)程與人類(lèi)生產(chǎn)生活的業(yè)務(wù)過(guò)程自然融合，產(chǎn)業(yè)界有時(shí)稱為信息技術(shù)與操作技術(shù)融合（IT+OT）。這方面的一個(gè)初步例子是中國(guó)正在實(shí)施的數(shù)字人民幣試點(diǎn)。貨幣從以前的銅錢(qián)、銀幣進(jìn)化到紙鈔，變?yōu)楝F(xiàn)在區(qū)塊鏈技術(shù)支撐的數(shù)字，同時(shí)也并未破壞原有的貨幣屬性與業(yè)務(wù)過(guò)程。

2.2 無(wú)縫銜接端邊云子系統(tǒng)

信息高鐵不是替代信息高速公路④基于網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議（IP）的互聯(lián)網(wǎng)。，而是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)的巨人肩膀上創(chuàng)新；其更高效地?zé)o縫銜接人端設(shè)備、物端設(shè)備、邊緣計(jì)算和云計(jì)算子系統(tǒng)，包括遺產(chǎn)系統(tǒng)和新出現(xiàn)的業(yè)務(wù)形態(tài)、應(yīng)用框架、基礎(chǔ)軟硬件、數(shù)據(jù)組織、知識(shí)結(jié)構(gòu)、管理策略和治理法規(guī)。信息高鐵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要有 2 個(gè)特征：① 高效協(xié)調(diào)信息高鐵的低熵有序性與現(xiàn)有系統(tǒng)的靈活性；② 前瞻支持未來(lái)信息社會(huì)的業(yè)務(wù)與技術(shù)多樣性。萬(wàn)維網(wǎng)的表象狀態(tài)轉(zhuǎn)移（REST）體系結(jié)構(gòu)十分值得借鑒，它站在因特網(wǎng)巨人肩膀上創(chuàng)新，應(yīng)對(duì)了銜接新舊系統(tǒng)、前瞻支持多樣性的問(wèn)題。

信息高鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面臨的新挑戰(zhàn)包括 5 個(gè)方面：① 如何無(wú)縫銜接信息高鐵與信息高速公路；② 如何支持萬(wàn)億級(jí)異構(gòu)設(shè)備；③ 如何在高載荷條件下保障用戶體驗(yàn)；④ 需要什么樣的系統(tǒng)抽象，讓用戶管控人工智能“不作惡”；⑤ 如何支持軟件性能工程，挖掘現(xiàn)有軟件棧 5 個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升潛力[10]。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，其中一個(gè)研究方向是將領(lǐng)域特定體系結(jié)構(gòu)升級(jí)為問(wèn)題特定體系結(jié)構(gòu)，并定制高效大構(gòu)件[10]。例如，為了降低不必要的依賴與協(xié)調(diào)開(kāi)銷(xiāo)，可給業(yè)務(wù)問(wèn)題添加合理的規(guī)矩，發(fā)展“少寫(xiě)”執(zhí)行模型，大幅度減少運(yùn)行時(shí)可寫(xiě)變量的影響范圍。這些相關(guān)工作的理論基礎(chǔ)包括支持“零協(xié)調(diào)”的邏輯單調(diào)性的一致性定理（CALM 定理）等[11]。

2.3 敏捷開(kāi)發(fā)高品質(zhì)業(yè)務(wù)體

“人機(jī)物”三元融合的智能萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代將產(chǎn)生眾多應(yīng)用業(yè)務(wù)形態(tài)和執(zhí)行模型，需要重新審視基本計(jì)算過(guò)程類(lèi)別。在過(guò)去數(shù)千年的時(shí)間里，計(jì)算過(guò)程僅限于運(yùn)算流，即每一步完成一個(gè)算術(shù)運(yùn)算的計(jì)算步驟順序執(zhí)行。例如，Ada Lovelace 在 1843 年發(fā)表的史上第一個(gè)計(jì)算機(jī)程序包含 36 行指令，每條指令僅是一個(gè)加減乘除運(yùn)算。直到 1946 年數(shù)字電子計(jì)算機(jī)誕生之后，計(jì)算過(guò)程才增加了體現(xiàn)程序控制結(jié)構(gòu)的控制流，如條件轉(zhuǎn)移、循環(huán)、函數(shù)調(diào)用（包括遞歸調(diào)用）等編程抽象。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及并行分布式系統(tǒng)的誕生，計(jì)算過(guò)程又增加了體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)思維的消息流。今后，萬(wàn)物智能互聯(lián)時(shí)代將為計(jì)算過(guò)程添加智能流抽象。

智能流抽象的具體形態(tài)尚在研究中，但總體上應(yīng)該繼承云計(jì)算系統(tǒng)敏捷開(kāi)發(fā)的快速原型、快速試錯(cuò)與快速升級(jí)優(yōu)點(diǎn)，再進(jìn)一步增加更加高級(jí)的抽象，實(shí)現(xiàn)智能基礎(chǔ)設(shè)施（intelligent infrastructure）[12]。智能流抽象需要滿足 3 個(gè)設(shè)計(jì)原則。①支持專(zhuān)業(yè)到行業(yè)的整合。大量業(yè)務(wù)問(wèn)題是行業(yè)問(wèn)題，其應(yīng)用軟件需要整合多學(xué)科專(zhuān)業(yè)資源，實(shí)現(xiàn)特定的行業(yè)解答。②強(qiáng)化部分規(guī)約（partial specification）?，F(xiàn)有應(yīng)用軟件主要是由人完全編寫(xiě)的，往往會(huì)出現(xiàn)過(guò)度規(guī)約現(xiàn)象（over specification），還需由完全規(guī)約向部分規(guī)約的轉(zhuǎn)型，提升業(yè)務(wù)體的自適應(yīng)性。③強(qiáng)調(diào)規(guī)則和有序。智能流應(yīng)將敏捷開(kāi)發(fā)云計(jì)算應(yīng)用的“開(kāi)發(fā)運(yùn)維一體”（DevOps）方法拓展到低熵有序的端邊云應(yīng)用，從而進(jìn)化為“開(kāi)發(fā)運(yùn)維安全一體”（DevOpS）⑤其中大寫(xiě)的S代表大安全（Security）概念，涵蓋安全防護(hù)、隱私保護(hù)、依法監(jiān)管等應(yīng)用需求。方法。

3 信息高鐵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)想

信息高鐵的發(fā)展應(yīng)借鑒互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，科研工作要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與社區(qū)建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)快速試錯(cuò)與迭代發(fā)展[13]。為此，我們提出一個(gè)初步的由 4 層抽象構(gòu)成的信息高鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖 2）。

圖2 信息高鐵的一種運(yùn)行時(shí)架構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 2 Runtime architecture of information superbahn

（1）賦名資源。包含各種“人機(jī)物”主體與客體資源，如用戶、硬件、軟件、數(shù)據(jù)、模型、知識(shí)、過(guò)程、物理世界資源。這些可以是池化與非池化資源，在開(kāi)發(fā)運(yùn)行時(shí)某些階段可為匿名。但是，資源本質(zhì)上都在系統(tǒng)中有實(shí)名，以便調(diào)試與追責(zé)。

（2）控域。資源來(lái)自信息高鐵或現(xiàn)有系統(tǒng)，包含無(wú)序的資源使用?？赜蛞?guī)定一組資源及其使用策略，將該范圍內(nèi)的資源時(shí)空變得有序。同時(shí)，控域的設(shè)計(jì)與部署應(yīng)該提供足夠的應(yīng)用靈活性。這就像交通高鐵中的“列車(chē)班次”“提前購(gòu)票”“憑票上車(chē)”“按號(hào)入座”。

（3）網(wǎng)程。網(wǎng)程將操作系統(tǒng)的進(jìn)程概念拓展到“人機(jī)物”端邊云系統(tǒng)，是信息高鐵應(yīng)用程序（業(yè)務(wù)體）的運(yùn)行時(shí)抽象。信息高鐵系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)程實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)體的全生命周期管理。

（4）業(yè)務(wù)體。業(yè)務(wù)體是高品質(zhì)行業(yè)應(yīng)用軟件的系統(tǒng)抽象。來(lái)自“人機(jī)物”的計(jì)算任務(wù)通過(guò)“請(qǐng)求—響應(yīng)”等方式訪問(wèn)業(yè)務(wù)體。業(yè)務(wù)體抽象應(yīng)有 3 點(diǎn)益處：① 通過(guò)顯式或隱式接口整合多學(xué)科新舊資源；② 集中刻畫(huà)業(yè)務(wù)本質(zhì)，盡量由“人機(jī)物”自動(dòng)生成或補(bǔ)全執(zhí)行代碼，以及相關(guān)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)；③ 充分利用高級(jí)抽象轉(zhuǎn)換技術(shù)，如各種應(yīng)用框架?，F(xiàn)有編譯器將高級(jí)語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼，未來(lái)的編譯器和解析器將轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)、上下文、“人機(jī)物”環(huán)境等。

4 未來(lái)的信息基礎(chǔ)設(shè)施

未來(lái)的信息基礎(chǔ)設(shè)施既要延續(xù)和發(fā)展目前具有廣泛普及性和便利性的信息高速公路，又要滿足高品質(zhì)用戶“可測(cè)、可調(diào)、可控、可信”的高吞吐率和高良率的新服務(wù)要求；既要通過(guò)衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)無(wú)論何時(shí)何地全覆蓋，又要借助人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和個(gè)性化。因此，未來(lái)的信息基礎(chǔ)設(shè)施一定是多種網(wǎng)絡(luò)形式的無(wú)縫鏈接和協(xié)同配合。信息高鐵是不可或缺的組成部分?！靶畔⒏哞F”這一別名為了繼承“信息高速公路”的說(shuō)法以形象地稱謂“高通量低熵算力網(wǎng)”，但其并不能全面地表達(dá)高通量低熵算力網(wǎng)的特性。這種新的信息基礎(chǔ)設(shè)施不僅具有高鐵交通系統(tǒng)一樣準(zhǔn)時(shí)可控的特點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，可滿足不同用戶的高品質(zhì)服務(wù)需求；同時(shí)，與交通系統(tǒng)類(lèi)似，通過(guò)“換乘站”等設(shè)施，信息高速公路和信息高鐵可以實(shí)現(xiàn)便捷的“換乘”。整體而言，信息高鐵是一個(gè)可以統(tǒng)一控制、靈活調(diào)度的整體。

過(guò)去的信息高速公路本質(zhì)是數(shù)據(jù)網(wǎng)，而信息高鐵是一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)，本質(zhì)上是高效、可控、智能化的大規(guī)模分布式計(jì)算系統(tǒng)。每一個(gè)信息高鐵的應(yīng)用系統(tǒng)，可以看成是業(yè)務(wù)專(zhuān)列，即一個(gè)領(lǐng)域?qū)Ｓ?、甚至個(gè)人專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)。“網(wǎng)絡(luò)切片”是 5G 通信和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)，核心思想是將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)都可獲得邏輯獨(dú)立（不是物理上獨(dú)立）的網(wǎng)絡(luò)資源，且各切片之間相互隔離。信息高鐵要實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)到物理網(wǎng)絡(luò)的映射，但不能將信息高鐵簡(jiǎn)單地理解為把網(wǎng)絡(luò)劃分成千上萬(wàn)個(gè)切片，供不同的用戶分別使用。如果走線路交換的老路，讓切片成為網(wǎng)絡(luò)中的一條線路，可能會(huì)導(dǎo)致平均延遲上升幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這是完全不可接受的。信息高鐵需要采用最新的分布式計(jì)算技術(shù)，許多還在攻關(guān)突破階段。TLA 對(duì)發(fā)展分布式系統(tǒng)有重要的作用，谷歌、微軟、亞馬遜等大公司目前都在大力培養(yǎng) TLA 方面的人才。

我國(guó)電信部門(mén)雖然尚未提出要建信息高鐵，但提出了基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（SDN/NFV）的第 4 次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革、跨越物理和虛擬兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期服務(wù)編排（LSO）、實(shí)現(xiàn)跨域高層智能聯(lián)網(wǎng)的隨愿網(wǎng)絡(luò)和云網(wǎng)融合等，這些與信息高鐵的目標(biāo)基本上是一致的。電信運(yùn)行商也在開(kāi)發(fā)確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet），重點(diǎn)是盡力而為地提供更高水平的服務(wù)質(zhì)量（QoS），主要關(guān)心最壞情況下端到端的延遲，但難以支持高通量應(yīng)用的（百分位）實(shí)時(shí)性。確定性網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)也是信息高鐵的重要應(yīng)用場(chǎng)景。信息高鐵的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)能動(dòng)態(tài)地感知負(fù)載與“人機(jī)物”環(huán)境的變化，以及軟硬件技術(shù)棧的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，及時(shí)優(yōu)化自身以適應(yīng)負(fù)載和環(huán)境。目前的網(wǎng)管模式基本上是手工配置業(yè)務(wù)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)開(kāi)通流程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，因此特別需要構(gòu)建靈活、顆?；涂焖夙憫?yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。我們提倡的信息高鐵也是商用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級(jí)換代的主要方向之一。