索普卡:中国PC“瘦身”之道

科学网 2005-12-20 高伟山

    世界已不是PC机一统天下的局面。号称“瘦形PC”的网络电脑携风带雨,酝酿着计算机的又一转折,却屡屡碰壁,只得消弭退潮。

    也许只有网络电脑,才能解决中国信息化成本过高的难题。中国能否改写NC(Network Computer)宿命?

    不一样的简单

    在清华大学张尧学教授的办公室里,一台电脑沉静端庄,笨重的主机不见了,取而代之的是一个杂志般大小的盒子,利落精致的外形并不影响它和PC机毫无二致的功能。这就是简化了的瘦形PC机——索普卡电脑。

    “这台电脑的成本只有PC机的一半,使用起来就像看电视一样轻松。”今年10月刚获得了何梁何利奖的清华大学张尧学如是说。

    索普卡电脑的“瘦”体现在:它本身是台裸机,没有任何软件,计算机运行所需的操作系统软件和应用软件都能从服务器下载得到。而且这种下载是根据用户要求,只下载当前在计算机上运行的一小部分指令,不是操作系统和应用程序全部。如此,传统计算机所必需的大存储器可以减小,CPU也减小,许多附加部件不要了。成本较传统PC机降低了一半以上;扰人的病毒对它无从下口;管理更方便,使用更简单。Windows、Linux等系统和应用软件都可在一个硬件平台上运行,可以方便地推广国产软件。

    “长征”伊始

    张尧学长期留学日本,师从国际著名计算机网络专家野口正一。1989年,张尧学以优异的研究成果获博士学位。他在教授的实验室发表的高质量论文数量最多,且至今都无人能突破。

    张尧学1990年回国。他的研究得到了国家发改委和国家科技部等的支持,开始了跨越网络最后一公里的自主知识产权软件平台研制的长征。1998年10月,“数字化家庭网络软件平台”的研究正式启动,这就是最早的索普卡(Sopca)概念。

    1999年7月,张尧学调至教育部工作。2000年11月,中国教育代表团访问美国英特尔公司总部,身为教育部官员的张尧学也是成员之一。

    会谈中,中国教育部领导提出,中国必须大力普及信息技术,但是鉴于经济基础较差、人口众多的国情,中国最需要的是经济、适用、无需频繁升级、少维护的计算机。对于这一提议,英特尔公司高层频频点头,但并无实质性回应。

    这一幕清晰地印在张尧学的脑中,更加刺激了他努力研制出更方便、更实用、更便宜的新产品的欲望。

    国产NC试水不善

    国际上也从未放弃过让PC“瘦身”的努力。1995年,正是互联网大行其道之时,一直跟微软有过节的甲骨文CEO——拉里·艾利森敏锐地察觉到了这个时机,并提出了网络PC的概念,即NC。不过虽然几经变革,但NC并没有像人们想象的那样成功,最终以NC厂商的纷纷撤资、销售任务难以完成而渐渐淡出人们的呼声。

    NC和类NC产品由于在成本上的优势,成为中国一直试图推动的方法。

    但国产NC的推广并不顺利,许多尚未解决的技术难题制约着它的扩展。它主要使用的是国产的Linux操作系统,但国内用户由于使用习惯和软件兼容性等问题,一般不愿意尝试使用Linux。媒体调查显示,许多人对国产NC能否快速崛起并不看好。

    索普卡的“透明计算”

    2001年,张尧学的索普卡电脑研制成功,为沉闷的NC带来了成功的希望。它提供了另一种可能——用户可以在一个平台上选择Windows系统和Linux系统。“它与NC的最大区别在于,用户可以在终端上自由选择操作系统和应用软件,并且计算在终端上进行、存储管理数据在服务器上进行。”张尧学介绍。

    神奇之处源于“索普卡软件平台”(SOPCA),意为“数字化家电网络软件平台”,它分别装在服务器和显示终端里,是个把电脑和网络上的服务器连接起来的协议,索普卡电脑的许多功能就是在这个软件的控制下施展的。

    它实现了将多种操作系统和应用软件动态加载到一个硬件平台上,而且可以动态切换,打破了原有使用和管理操作系统及软件的方式,将原来的计算机让用户使用,变为计算机为用户提供服务、用户像选择电视节目那样选择使用计算机软件的“透明计算”。张尧学介绍说,平常所说的“透明”,即看得见、能透过之意,而计算机里的“透明”正相反,指用户看不到、也不用操心里面的硬件、软件在哪里、怎么管理,就像用水时只消打开水龙头接水、而不用管水是从哪里来的一样。

    让操作系统“听话”

    张尧学认为,现在的计算机运行模式中的问题已经突显,即把用户需要的和不需要的操作系统与应用软件放在一起,不论用户要不要,都得把它们装上。不但慢、烦、难,而且贵。

    张尧学迈出了第一步,他尝试着把多种操作系统都加在一台服务器上,用户在使用终端时,就可以根据需要自由下载调度操作系统和应用软件。

    传统PC机在启动时,操作系统会自动加载,无法让用户选择。要做到用户可以选择操作系统,就必须使计算机在启动的途中停下来,让用户选择操作系统。这个控制软件就是索普卡软件平台的核心部分之一。

    更多的难题如连环套般出现,因为做任何软件都是先有一个操作系统,在操作系统上去编程、运行;但依张尧学的思路来看,开发这个新软件的前提是没有操作系统的,要在操作系统启动之前去掌控计算机的举动。

    首先,他们需要知道怎样从主板上把中断信号抓住。计算机通电之后会产生一个信号,要改变启动过程,就必须先找到这个信号,识别它,并操作它。

    Windows、Linux、Unix等操作系统的架构互相之间有很大差异;且微软操作系统的代码作为其知识产权的一部分,不对外公开。

    这就意味着张尧学等要在计算机的最低层进行研究,依靠的不是源代码所使用的C语言、Java语言等高级语言,因为在计算机底层工作着的是计算机低级语言——01代码和汇编语言。这样一来,科研人员的整个工作就变得异常复杂,课题组也花费了大量心血。

    最核心的软件

    “操作系统是最核心的软件,没有哪个软件会像操作系统那么重要,而且操作系统也在不断地变化。但我们现在要把主要操作系统的底层相关接口逐一攻破,加到服务器上去。”该课题组王晓辉博士说。

    移植Windows 2000非常重要,若能顺利攻克,将有利于拿下此后的XP系统。在01代码中间,张尧学寻找该操作系统的接口,找到控制操作系统的钥匙。

    2004年7月时,张尧学带领师生做新的工作计划,制定了一个框架结构,但研制到半途时,他们发现这个框架结构有失准之处,它跟实际系统无法吻合。如果按照先前的想法运行的话,系统就会崩溃。

    张尧学带领师生尝试了很多方法,最后只有通过虚拟机调试了解它的内核、加载以及一些接口的内在逻辑,通过编写程序,再到虚拟机上不断地运行、调试。这样一天到晚都泡在实验室里,对他们来说是家常便饭。

    筑造“软件仓库”

    索普卡电脑为用户提供了方便的共享环境,那么服务器上的一套软件会不会因为多人使用而降低运行速度呢?

    张尧学想到了这个问题,他研制成功了一种新的I/O管理系统,即输入输出管理系统,除了原来每台计算机上的一个总线外,还将网络线也接入了输入输出管理系统,并设计了新的管理办法,对软件的使用进行排队优化。工作时,每当不同的用户发出要求,服务器都可以将那套软件即时拷贝到不同的用户那里,并可以实现多次拷贝。

    同时,“服务器上并不运行计算操作,只负责为终端调进、调出软件,就相当于一个巨大的汽车零配件仓库,车间需要组装汽车时就到仓库去取零件,而仓库只负责管理和发货。服务器就相当于这样一个功能,显示终端需要哪些软件,就向服务器请求,它就会把所需的程序调过来,服务器的功能就简化了,风险也相应降低。”张尧学这样解答。

    “免疫”电脑

    目前世界上有十多万种病毒,新的病毒还在不断出现,传统PC机对它们防不胜防,索普卡电脑却“百毒不侵”。

    一般来说,设计病毒程序是从计算机的底层入手,打开操作系统的后门,将病毒渗入,而原来的防病毒程序都是在计算机的高层,即在操作系统以上设防。张尧学一反常规,将防病毒工作深入到了操作系统以下,在操作系统和主板之间做了一道保护墙,这个软件就具有了抗病毒的本领。它不仅能防止世界上各种现有的病毒,即便产生新的病毒也可防患于未然。

    牵手大山里的孩子

    张尧学曾收到过一本厚厚的图片集,那是贵州省遵义县拍摄的当地小学的电脑教室图片。它展示的是当地小学大批量安装索普卡电脑的教室、井然有序操作电脑的小学生。

    当年,遵义县在对比了各型PC、NC的优缺点之后,选择了索普卡—小宝网络电脑,作为中小学计算机教室的主要机型,现已安装了300多所中小学。工程人员到偏远的野彪小学去安装调试,最后仅50公里的山路,即便驾越野车也走了五六个小时。

    为了让山里的孩子也能上网,邱福强赠送了近万元的卫星远程教育系统,将网线拉到教室后,用一台小宝电脑加电视机就组成了一个简易的多媒体教室,学生可以看到特级教师的教学等。

    2003年,新建的鸭溪二小甚至担心招不到学生,因为许多学生宁愿走更远的路,到有索普卡电脑的鸭溪一小去上学。

    索普卡电脑在银行、电子政务等行业都大有天地。迄今为止,索普卡系列产品已累计销售10多万台。

    拉动计算机产业链

    索普卡电脑的意义,也许不仅在于计算机家族的添丁,更在于中国的IT行进之路将会有所不同。它增加了中国计算机领域突破Wintel联盟、壮大“中国芯”的可能性。它所用的CPU既不需要很高的性能,又不需要很低的功耗,可以借其作为国产CPU推广应用的切入点;而且,目前国产CPU“方舟”和“龙芯”都是采用Linux系统,从而促进了国产CPU和系统核心软件的开发。

    政府倡导使用NC有来自信息安全的考虑。自微软和英特尔构架形成以后,基于这些装备的部分政府用户会担心自身的信息安全。一直致力于推广NC的倪光南院士表示,在中国推广NC意义特殊,Linux系统的崛起为发展国产CPU创造了先决条件,而NC却是“中国芯”进入市场、走向产业化的第一个台阶。现在,张尧学正在试验将国产CPU用在索普卡电脑上。

    当年,甲骨文CEO拉里·艾利森曾宣称:“NC是大型机、小型机、PC纪元后的第四个浪潮。”站在潮头浪尖的张尧学表示:“现在,Windows XP的破解、安装工作已基本完成,我们很快就要研究怎样把Unix做上去,还要往无线网络电脑等其他方向转,这个研究领域的前景非常广阔。”

2005年12月20日 13:59:18  清华新闻网

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