国外高技术发展模式及对国产处理器和基础软件平台发展的启示.doc

国外高技术发展模式及对国产处理器和基础软件平台发展的启示宫敏 1999年4月，2002年2月修改摘要 处理器和基础软件平台是关键高新技术之一，是发展信息产业所必需的，是关系到国计民生和现代国防的关键技术。本文试讨论高新技术的发展模式以及掌握处理器和基础软件平台这项关键技术的必要性、国内和国际现状、中国发展这项技术可能采取的技术路线及组织方式以及所面临的关键性问题。 本文提出了由国家和企业以资金方式、主要技术骨干以技术方式进行投入，按照正常股份公司方式运作的股份制有限公司的组织形式，以目标用户提出要求并参加讨论，处理器、主机板、外围芯片和系统软件联合设计的技术路线，以最快的速度，最低的资金投入，在三年的时间内满足国家政治、经济、军事方面对服务器和工作站的需求。在此基础上，根据实际情况逐步扩大到其它的应用领域，进入技术和经济的良性循环。 目录 引言 国际高新技术的发展模式 外国对我禁运与否目的相同 国内状况和我们的对策 从无到有，又从有到无 走捷径等于自杀 国家安全要求有自己的处理器和基础软件 搞一点处理器、基础软件有三年时间完全可能 所建议的组织方式 所采取的技术路线 结论引言处理器是未来信息社会的关键性技术，它是一切其他相关技术的基础。通信网络、移动通信、数据库、智能身份证、多媒体技术、宇航、航空、航海和各种国防专用技术，直至汽车和家用电器，都离不开处理器这个基础技术。没有这个基础技术的保证，其他相关技术的发展就如同沙滩上的大厦，随时都有倾覆的危险。没有这个基础技术的保证，中华民族就不可能自立于世界民族之林，在特殊的国际环境下，就可能受到别国的讹诈或者使得其他应用技术处于巧妇难为无米之炊的困境。因此，世界各主要国家都在以其自己的方式发展这项技术。 然而处理器是不可能孤立地存在的，处理器本身必须依赖大规模集成电路技术才能制造出来。仅仅有处理器还不行，还必须有与之配套的外围设备，必须依靠操作系统、汇编器、编译器等基础软件才能应用。为了中华民族能够自立于世界民族之林，摆脱超级强权的讹诈和控制，保障国家和民族的利益和安全，我们必须发展自己的处理器体系结构、基础软件和微电子技术。 国际高新技术的发展模式目前，从总体上说，美国处于包括计算机技术在内的高新技术的绝对领先地位，但是欧洲、日本和俄国都没有放松高新技术的发展工作。以计算机技术为例，他们都有自己国产的处理器和相应的基础软件。这些处理器在某些方面都有其特点，例如日本日立公司的H8是功能强大的嵌入式处理器、NEC有功能强大的浮点处理单元、欧洲有各种专用处理器、俄国有号称最快的E2K处理器等等。 纵观各国计算技术的发展道路，都是军转民，最初都是政府行为，以国家利益为出发点进行发展，当发展到一定阶段后部分转为民用，从公众购买和出口中，加倍收回早期投资，进行进一步的开发，形成良性循环。以美国为例，美国的Intel、Sun Microsystem、CISCO、MOTOROLA、IBM、Silicon Graphics等公司都有大量的政府和国防定货的支持。有时候国防定货的数量之大竟然使得民品订货不得不延期。可以说，没有政府和国防订货，这些公司都不可能生存。目前我们在市场上见到的产品只是那些公司所有产品的一部分。 笔者分析了美国大部分重大高新技术的发展轨迹，归纳出了一个高新技术发展的三部曲模式。 1、政府军用，提出技术要求，提供研制经费。如果研制成功，军方订货，企业小量盈利并由政府决定适时转入三部曲的第二阶段。如果完全不成功，政府放弃，企业在本项目上无盈利也无亏损。如部分成功则由政府决定继续研制或放弃，如决定继续研制，则返回第一阶段。如放弃则政府决定阶段成果开放与否，如开放，则企业可自行决定自筹资金以企业行为继续开发或放弃。如不开放则封存阶段成果。 2、政府及企业民用，扩大技术的应用领域和范围，企业开始扩大盈利。在这一阶段，技术的应用范围被扩大，通过价格壁垒限制国内扩散范围，通过出口限制政策控制技术的国际扩散，以最大程度地保证国家和研制者的利益。在这一阶段往往开始下一任务的第一阶段。3、大众民用，在这一阶段，技术的大部分内容开放，大量的下游企业加入应用开发。基于此项技术的各种应用技术和派生技术层出不穷，全社会的盈利开始极大地增加，政府和军方利用大量涌现的应用技术开始民转军。以这一模式进行开发的有核技术、电子计算技术、全球定位系统和遥感等宇航技术。更大范围和更长历史时期内的航海和航空技术的发展也没有跳出这个发展模式。当年哥伦布和麦哲伦的远航均是政府行为，所带来的国家和民族利益也是众所周知的。波音、麦道和洛克希德马丁公司没有政府和军方的订货就无法生存。最近，为了与欧洲的航空工业竞争，美国政府用大量削减订货、新战机研制不中标和没有新研制任务的方式，逼迫麦道并入波音就是政府意志的具体体现。前苏联的问题就在于这三部曲没有唱好。第一部他们唱得不错，形成了世界上一流的国防工业部门和武器系统。由于过分保密和计划机制过于死板，使得第二部和第三部唱不下去，因而不能形成良性循环。长此以往，企业不能扩大盈利，国民经济其他部门不能享受军工新技术带来的利益，国家的负担不断加重。这种杀鸡取卵式的技术发展只能以其国民经济的崩溃而告终。 与此相反，世界上其他一些国家如德国、法国、意大利等欧洲国家和日本或因为国民经济规模不够，或因为战败国等国际政治原因，无法唱这三部曲中的第一部，只能有限地唱第二部和拼命地唱好第三部。其结果就是他们不得不受第一部主旋律的限制和控制，发挥的余地大大缩小，只能处于被动地位。政治上只能唯超级大国马首是瞻，这就是现在的国际秩序。 除上述发展模式之外，还有其他一部分重大高新技术，沿着另一条轨迹发展： 、政府军用，提出模糊的要求和研制经费。 、研制过程中相关技术不断发展，要求不断清晰化，同时参加研制的单位过多，时间过长，无法保密。 、阶段成果不断被军民双方利用，技术不断发展，由于大众的压力正式商业化，产生全球性的极大盈利。Internet为这一发展模式的典型代表。 外国对我禁运与否目的相同对于我国这样一个与西方有着不同种族和文化传统的大国，西方有着传统的神秘感和恐惧感。从历史上拿破伦的睡狮论，到近年亨廷顿的文明的冲突，无不反应出这种神秘感和恐惧感。由于资本主义的本质，西方近代文明的传统是崇尚力量和外向扩张的，他们不了解中华文明的本质并不是无限制的扩张。以己之心度人之腹，他们自然会对领土辽阔、人口众多、经济迅速发展的中国产生一种莫名的恐惧。这种莫名的恐惧是不受意识形态约束的，即使我们愿意全盘西化，成为他们中的一员也是不可能改变的。这就是孙中山和毛泽东所说的先生为什么总是打学生的原因。出于这种神秘感和恐惧感，西方总是不愿意看到我们的独立发展，我们的发展总会是被看成是对他们的威胁。出于这种考虑，他们不愿意看到我们在关键技术领域取得进展。他们的根本目的是尽量阻滞我们的技术进步和发展，尽可能增加我们唱好三部曲，进入良性循环的困难。围绕让我们无法唱好上述三部曲，进入良性循环这个目的，他们的手法是多种多样的，当我们有技术困难的时候，他们封锁技术，增加我们唱第一部的困难；当我们基本上解决了技术难题的时候，他们倾销具有相同技术的技术产品，增加我们唱第二部和第三部的困难，尽量将我们逼上前苏联的道路。 国内状况和我们的对策从国内各类高新技术的发展历史和目前的水平看，可以发现一个有趣的现象，那就是，越是国外封锁得厉害的技术，我们的水平就越高，目前与世界水平的差距就越小，反之，越是对我们较开放的技术，我们的差距就越大。下面的表格开列了几项关键性技术的情况。 技术门类_国外封锁程度_我们目前的差距_核技术高小宇航技术高小航空技术较高（俄罗斯对我封锁较低）较小航海技术较高（同上）较小_陆军常规武器较高（自我进口限制？）较小电子技术_较低较大计算机技术_低大 上表的内容和三部曲模型是一致的，在封锁程度较高的技术门类，不管我们掌握与否，他们都不会向我们提供相应技术，这就使得我们的技术有可能开始唱第二部和第三部而进入良性循环。一旦进入了良性循环，外国再想控制，其难度就大大增加了。例如我国的核工业，不仅能够完成国防任务，还可以完成秦山核电站这样的民用工程。我国的宇航工业不仅能够完成国防任务，完成国内民用（政府和企业民用）任务，还可以进入国际卫星发射市场，替外国发射多种轨道类型的人造卫星。我们在这些技术门类的水平是较高的。 反观计算机技术，在这个领域，外国的方针是：当我们没有某个档次的机器时它禁运，当我们解决了技术难题后，它马上解除对这一档次机器的禁运。由于进口机器已经处于三部曲中的第二或第三部，技术较成熟，因产量较大而售价比较低，其结果是自己的机器做出来之日，基本上就是寿终正寝之时。事实表明这是对我杀伤力最大的一种手法。从无到有，又从有到无从五十年代我国制造出电子管计算机开始到现在，我国计算机产业经历了一个从无到有，从小到初具规模而又从初具规模到规模很小，从有到无的历程。 目前，离开进口的中央处理器、存储器和磁盘等关键部件，我们的机器还能造出来吗？离开外国的操作系统和基础软件，我们的机器还能跑得起来吗？在每台售价成千上万元的计算机中又有多少是我们的利润呢？这里所说的“有”和“无”是指在特殊的国际环境，例如交战的情况下，零、部件的进口已经不可能，我们的机器还能不能够造出来，能就是“有”，不能,就定义为“无”。 我国不少科研单位和公司在困难的条件下，顶住了巨大的压力，进行了伟大的工作，解决了国防和经济建设所遇到的问题，提供了急需的设备，并且使得封锁者不断放宽设备的出口限制，这些都是了不起的成绩。但是我们是否应当在成绩之中看到不足，在辉煌之下发现危险的不牢固的基础，在继续建造大厦的同时防患于未然呢？为了便于问题的描述，还是粗略地回顾一下历史吧。 从无到有的光荣历程五十年代末，我国制造出第一台电子管计算机时，距1946年世界上第一台电子管计算机的出现，大约有十年的差距。这十年是真实的，因为我们自己已经可以制造电子管和其它计算机必需的电子元件，软件也是自己编写的。 六十年代中期，我国第一台大型晶体管通用数字计算机研制成功，距世界上第一台晶体管计算机的诞生，也是十年左右的时间，这个差距也是真实的，因为晶体管和其他的电子元器件是我们自己生产的，多道调度程序也是自己开发的。请允许我提一件有趣的事。本人第一次见到计算机是1968年春天，在中国科学院计算所北楼的晶体管计算机。当时我在北大附中念初一，学工劳动的内容是为国产计算机制造晶体管。当然只是一道最简单的工序而已，作为学工内容的一部分参观了计算所。本人不安分，在机房到处乱跑，见到一个个电动机带动的圆柱体转得飞快，问计算所的叔叔那是什么东西，他回答说是磁鼓！当那台计算机奏起草原上的红卫兵见到了毛主席的乐曲时，我被计算机迷住了。会家后问父亲磁鼓是什么东西，他做了详细的解答，而作为少年无线电爱好者的我却听得似懂非懂。七十年代中期，我国的一百万次集成电路电子计算机和世界上同水平的计算机差距，也是十年左右，这差距也是真实的，因为集成电路和其他元器件是我们自己生产的，多道调度程序和其它基础软件也是自己编写的。在同时代，我甚至见过结构类似ALGO语言的中文计算机算法语言。在这期间，我们造出的计算机，在国防和经济建设中，都发挥了重大的作用。我曾见过交通部的老前辈背着一大书包的纸带到北大上机计算葛州坝船闸的力学问题。后来很多产业部门都购置了国产的电子计算机，这可以看作计算机事业开始了三部曲中的第二部，政府民用阶段。 这时正是三部曲中的第二部正在唱而第三部尚未开始的关键时刻，如果处理得当，我国的计算机事业就有希望唱好三部曲，进入良性循环。然而，在这个关键时刻，我们的发展开始出现问题了。 从有到无的痛苦经历这个痛苦的经历，可以追溯到七十年代中后期，从中国科学院物理所引进的一台美国DATA GENERAL公司的NOVA十六位小型机说起。与当时国产大、中型计算机相比，这台小型机小巧玲珑，功能不差，软件丰富甚是招人喜爱。加上国际友人出于对我们的友好，私下给我们提供了实时操作系统RTOS和实时磁盘操作系统RDOS的源代码，物理所的科学家们认真分析了RTOS和RDOS的源代码，写了非常好的分析报告和使用手册，一时间我们有了学习和赶上的机会。然而好事变坏事，问题发生了。 走捷径等于自杀不知道出于何种考虑，我们的计算机产业，在这个关键时刻，开始想走捷径、快速赶超了。当时的决策是制造与国际主流机型兼容的硬件，基础软件直接使用国外产品，我们的机器将会永远跟上国际先进水平。这一时期的代表作有下列的“系列型谱”：等等。 DJS-100系列和DJS-180系列所瞄准的的确是当时国际上的明星机型，在世界各地都有广泛应用。但是，这样的决定事实上就意味着大半个计算机产业、软件产业缴械投降了。100下列还有好几个型号，一直跟踪到了NOVA的最后一个型号，NOVA-4。180系列的情况与100系列类似。正当我们内部为了100系列和180系列孰优孰劣耗费大量精力、争得面红耳赤的时候，突然在国际上我们瞄准的目标NOVA和PDP都成了昨日黄花。它们分别被各自公司的Eclipse/MV和VAX等32位产品所取代了。而这些32位小型机都大量使用各自公司的专用大规模芯片，使得仿造已经基本上不可能了。加上在同一时期各种基于微处理器的微型计算机开始大行其道，什么TRS-80、CROMEMCO不一而足。就这样，把国家计算机产业的命运与外国某些公司的命运轻易挂钩，先是自废武功，斩了自己的基础软件，接着硬件又失去了跟踪的目标，我国的计算机事业一步步走上了从“有”到“无”的痛苦道路。事实上，到了最后，国际上的DATA GENERAL和DEC都放弃了原有的产品，或濒临倒闭，或被其他公司所收购，走的也是从“有”到“无”的痛苦道路。 这个深刻教训再一次印证了独立自主、自力更生的重要意义。我们无论如何应该把国家和民族的产业与技术命运掌握在自己的手中，不断增强自主发展的能力，满足自己的需要，形成自己的技术特点。只有这样，才能够赢得国际尊重，在较高层次上参与国际竞争，保护自己国家和民族的根本利益。事到如今，中国人的计算机事业就没有翻身的机会了吗？我看还是有机会的。首先，我们并没有完全将自己的命运与国外厂商挂钩，例如我们的银河、曙光和神州等项目积累了大量的高级技术成果和研究开发人才。我们的联想、长城、浪潮等公司积累了大量的市场经验和批量生产的经验和经营人才，这些都是宝贵的财富。整个产业链条中所缺的只有少数几个环节，如中央处理器、主存储器、磁盘驱动器和包括操作系统、编译器等在内的基础软件。这几个环节就是我们计算机产业的瓶颈，就是受治于外国人，要看外国人脸色的弱点。 国家安全要求有自己的处理器和基础软件目前，世界正朝着社会网络化和信息化方向迅速发展，这对我们既是一个机会，更是一个挑战。这个机会就是我们的起步与世界基本同步，如果能够跟上世界发展的步伐，就有可能使我们迅速缩短与世界先进国家的差距。而这个挑战就是网络化在提供了信息迅速流通的便利条件的同时，也增加了敏感信息被截获、篡改和破坏的可能性。 这个敏感信息被截获、篡改和破坏的危险，既可以发生在终端设备的加密、解密过程中，也可以发生在信息传送的途中，还可以发生在网络设备的信息处理过程中，更可以发生在数据服务器的数据存储和修改过程中。 信息传送途中的危险由于信息传送途中存在着被窃听和篡改的危险，对于敏感信息，有必要在发送端，用某种加密算法，对所传送数据进行加密处理，在接收端对数据进行解密处理，恢复原始数据。目前，国际上普遍使用的是几种公开算法的双密钥系统，这些系统的特点是，加密和解密用不同的密钥，称为公开密钥和私有密钥。加密过程经过长期使用没有发现系统性反演算法。在密钥未知情况下，只能通过试错法，逐一测试，直至出现有意义的明文。这一加密方式的出发点是，保密是有时效的，超过时效的信息不在乎失密。而这个时效是通过密钥长度和解密计算机的速度来决定的。外国政府对这类加密算法软件和设备，是作为武器类进行出口管制的。而所允许出口的密钥长度，是根据他们的解密计算机的水平而规定的。这个长度原先是40位，后增为48位，现在是56位。 虽然对大多数用户来说，这个长度已经足够好了，但是对一个国家来说，使用这种对另一个国家基本上是透明的加密算法或密钥长度，来传送关系国计民生和国防大计的信息，无论如何是不能接受的。 在密码体制之外，还有下列潜在的和实在的危险。数据终端的危险数据终端指的是数据的发送和接收设备，通常是计算机设备。数据的加密和解密过程，一般是发生在终端设备上的。终端设备的问题，在确立国家密码体制之外，还应该有操作系统核心的直接支持。因为如果操作系统核心有问题，那么加密过程本身的安全性就成问题。如果核心不提供必要的接口，那么加密过程便不可能在系统空间进行，而只能在用户空间进行，而系统的权限总是大于用户权限的，如果有问题的核心对系统所执行的程序加以记录，定期瞒着用户向某处报告，在必要时瞒着用户执行某外来程序，那么一切努力就都付诸东流了。事实上，已经发现微软的windows/98就有类似的行为。如果处理器本身有问题，那么危险性就又大了一层。假如这个处理器有一个（一个就够了）未列出的保留指令，而这指令完全不理会处理器当前是在用户态还是系统态，它有超级特权。它的作用是让处理器做某件事情，例如无条件停机，锁死一切总线信号或者触发某一个未列出的保留的异常而转入特定的向量地址等等。 已经发现Intel奔腾处理器（包括）就有一条致命的代码为0xf00fc7c8的秘密指令（Intel自己解释是毛病），无论处理器当前是在用户态还是系统态，都会使得控制转向非法地址造成死机。Intel对此的解释是，对不起，是个虫（Bug），真实情况只有他们自己知道，而我们可以猜测。事实上，已经有人用它来瘫痪别人的机器了。 网络设备的危险网络设备主要包括路由器、交换机和集线器等。它们的安全性对于整个信息传递过程也是非常重要的。目前，已经发现有些厂家的产品留有“后门”，也就是说，远程访问可以通过预留的注册名和口令取得设备的配置和控制权。例如3com公司的某些交换机和路由器就已被发现有这种预留的后门。预留后门的危险性是不言而喻的，它可以用来瘫痪设备、改变设备的工作方式，甚至可以改变或增加数据分组的目的地址。这样，所有的信息都可以被搜集到。 数据服务器和多用户计算机的危险这里的危险性最大，除了数据终端具有的危险外，还增加了合法用户执行包含非法（秘密）指令的程序的危险和通过网络请求注入非法程序的危险。因为是网络服务器，它必须接受来自网络的请求，特别是那些直接针对因特网开发的服务器，必须接受来自世界各地的请求，这种通过网络请求进行攻击的情况是非常常见的。这里有问题的操作系统会造成危险，有问题的处理器会造成危险，而有问题的操作系统加上有问题的处理器则会造成更大的危险。 例如，有问题的处理器在有问题的操作系统的支持下，对用户使用的秘密指令作出秘密响应，对其给予超级权限，使其能够对数据进行越权存取，改变或增加网络路由，甚至安装窃听器等等非法行为。已经证实，对于奔腾的秘密指令，操作系统是可以截获并进行响应的，而用户可以对此毫无察觉（见Linux核心），这响应可以是善意的（如Linux）避免死机，当然也可以是不怀好意的。 即便处理器没有问题，操作系统也可以对某未说明网络端口的请求进行响应，完成后门操作。例如已经发现的HP-UX操作系统，就对某高地址端口有这类的响应，给予特权联接。微软的windows甚至私自向微软发送用户的某些信息。除了上述问题外，还存在一些设计缺陷引起的易受攻击性，例如缓冲器溢出、服务拒绝、进程表暴满和非法分组尺寸等等利用系统设计缺陷进行攻击的可能性等（包括Linux在内的所有系统都有这些问题）。受篇幅的限制，这些攻击的原理和可能的防范措施就不在这里详细谈了。大体的情况是受到某些原因的限制，这些问题至今没有得到完美、彻底的解决。 搞一点处理器、基础软件有三年时间完全可能当年毛主席在国家一穷二白的情况下，向科学界发出了“搞一点原子弹、氢弹，我看有十年工夫完全可能！”的豪迈宣言，同时在政策上为项目开绿灯，以国家意志保障所需要的条件。结果在政府的全力支持下，经过科学家们的努力工作，用了不到十年的时间就完成了！ 目前，中央政府制定了科教兴国的伟大战略，号召以当年搞“两弹一星”的的精神抓好关键高新技术的攻关工作。在这样的政策环境下，是一定会吸引全世界的人才投身这项伟大的工作的。 建议的组织形式对我国来说，不仅国内具有一定这方面的人才储备和技术储备（见王沁的报告），国际上还有大量有真才实学和实践经验的专家。如果能够解除他们在工作和生活上的实际问题和后顾之忧，这些人的积极性是能够充分调动的。随着我国改革的不断深入，我国已经基本进入市场经济时代。在目前的社会条件下，保证项目成功的关键是如何充分调动专家的积极性，使他们能够把创造性发挥得淋漓尽致。我不认为一个人在他每天不得不为生活而仔细盘算，为增加创收而东奔西跑，为实现一个设想而四处游说的情况下，能够专心致志、夜以继日地瞑思苦想，把一个设计做得尽善尽美。这些专家目前在国际上非常抢手，即便是国内的外企和某些内资企业所付的工资也是具有国际可比性的。“两弹一星”的经验也说明了这个问题。当时的专家的收入大约是最