面向信息產業發展的基礎軟硬件生態研究

謝勁松，符興斌，趙文輝

(中軟信息系統工程有限公司，北京102209）

0 引言

信息技術發展歷史證明，圍繞關鍵技術形成的技術生態和產業生態往往是最終決勝的關鍵。信息技術的可持續發展和迭代升級，需要完善的基礎軟硬件生態體系作支撐，同時也會對生態體系的完善起到反哺作用。

本文面向信息技術發展要求，對基礎軟硬件生態體系建設問題進行了研究，闡述了國產基礎軟硬件生態體系建設發展現狀，分析存在的不足，并提出了若干解決對策和建議。

1 基礎軟硬件生態相關概念

生態(Ecology）一詞源于古希臘語，原意是指一切生物的狀態，以及不同生物個體之間、生物與環境之間的關系。1866年，德國生物學家海克爾(HAECKEL E）首次提出生態學的概念，認為生態學是研究動物與植物之間、動植物與環境之間相互作用、相互影響的一門學科。1935年，英國生態學家坦斯利(Arthur Goerge Tansley）首次提出了生態系統(Ecological System）的概念，認為生態系統首先是一個由若干相互關聯的要素構成的有機整體；其次，生態系統不僅包含系統內的有機復合體、組成單元，而且包含各種相關的環境因素，有機體不能與它們的環境分開，而是與它們的環境形成一個自然系統，即生態系統，這種自然生態系統是地球表面自然界的基本單位。

技術生態(Technical Ecology）是自然生態系統的隱喻，是指人類科技活動賴以正常進行并經適當配置的一切功能要素的綜合體系，這些要素相互影響、相互制約、相互競爭、相互輔成、共同發展，構成了具有開放性質的區域有機體，形成了多要素共贏、可持續發展的環形模式。技術生態和自然生態具有相似的系統特性、要素構成、相互作用機理等。

計算機技術生態(Computer Technical Ecology）是指用于信息系統研制、運行、保障的系列計算機軟硬件產品及解決方案，包括整機平臺、開發工具、運行支撐庫、應用周邊配套產品、服務工具，以及相關的標準規范體系、驗證評估體系、服務保障體系等。

產業生態(Industrial Ecology）是指在某個地域范圍內業已形成(或按規劃將要形成）的以某類主導產業為核心的、具有可持續發展潛力和較強市場競爭力的產業體系，體現了一種新的產業發展模式和一種新的產業布局形式。

基礎軟硬件生態(Basic Software and Hardware Ecology）是指基礎軟硬件產品和研發環境之間相互依存、相互影響的互動關系，可以像自然生態系統一樣不斷進化和嬗變，基礎軟硬件生態既是一種技術生態，也是一種產業生態。

本文中面向信息產業發展的基礎軟硬件生態，主要研究在以計算機技術為代表的信息技術領域，如何在軟硬件設計開發、系統集成融合、一體化安全、系統適配試驗、應用等各個環節實現安全可靠，同時整合技術資源，利用產業鏈的優勢實現從基礎硬件到軟件的研發、生產、升級、維護的全程可控，支撐和保障相關事業的健康可持續發展。基礎軟硬件生態概念邏輯如圖1所示。

2 基礎軟硬件生態建設現狀

我國信息技術相關工作從20世紀90年代末開始，經過多年的發展，底層硬件產品、操作系統、數據庫、中間件、應用解決方案等技術領域取得從無到有、從能用到好用的重大進展，初步形成比較完善的基礎軟硬件生態體系。

“十五”以來，國家著力以科研項目推動信息產業發展和應用實施，通過國家持續投入，關鍵基礎軟硬件的單品研究與開發獲得發展，并初步具備應用條件，產業發展初具規模，加速了相關工作的步伐。

“十三五”以來，應用示范工程逐漸推進，產品和系統的能力和水平得到應用的考驗，達到了可用、好用的要求，標志著基礎軟硬件體系基本形成[1]，具備了規模化應用的能力和水平。

總的看來，我國基礎軟硬件生態建設大體經歷了單品研制、集成適配、體系構建三個階段，呈現出“單品加速發展、整機探索前進、生態體系初步建立、試點應用逐步推廣”的基本態勢，目前已經實現了整機系統由“基本不能用”到“基本可用”再到“基本好用”的轉變，逐步向“高效好用”努力。主要取得了以下幾個方面的進展。

(1）基礎軟硬件產品性能不斷提升。一是通用CPU取得新進展。經過重大項目的持續支持和產業化實踐，飛騰 2000/4、龍芯 3B-4000、申威 410等新一代產品相繼面世，性能大幅提升。2020年上半年，飛騰對高性能服務器CPU、高效能桌面CPU、高端嵌入式CPU三大產品譜系進行了全面的品牌升級，其中騰云S2500是飛騰補齊高端芯片最后一塊版圖的服務器CPU產品。二是操作系統全面發展。以天津麒麟、中標麒麟、中標普華為主體的桌面、服務器操作系統在安全性、可用性、易用性等方面均明顯提升。三是整機產業化能力開始全面復蘇。以長城、浪潮、曙光等為主體，在國產化主板設計與研制、整機生產加工等方面取得長足發展，在運行功耗、穩定性、可靠性等方面有大幅提升，基本形成了服務器、桌面主機、一體機、筆記本等產品形態。四是數據庫產品迅速發展。以武漢達夢、人大金倉、神舟通用為主體的數據庫管理系統，在支持多進程并發、多用戶在線訪問方面取得重大進展，其在辦公領域初步的應用驗證表明，數據庫單機支撐規模和并發用戶，較上一代明顯提升，達到了中等規模商用化的水平。

圖1 基礎軟硬件生態概念邏輯圖

(2）產業鏈布局逐漸完整，覆蓋計算、網絡和存儲、安全等關鍵領域。龍芯、申威和飛騰都依托自身技術體系，各自采用不同形式的“聯合”和“聯盟”，努力促進產業力量聚攏，積極布局產業體系。龍芯整合各方資源，打造了覆蓋 “架構-芯片-軟件-整機-系統-信息服務”的產業生態體系。申威實現了包含基礎固件、虛擬機管理器、操作系統、數據庫以及應用軟件等在內的產業生態體系。飛騰依托中國電子產業體系，內部開展整合、外圍開展協作，圍繞計算、網絡、存儲、安全四條主線，建立了覆蓋芯片、操作系統、數據庫、整機、支撐服務平臺、應用系統的產業鏈，并推出了安全體系解決方案，形成了比較完善的產品體系。

(3）面向辦公的生態環境已基本形成，逐步支撐其他領域生態體系的構建。圍繞處理器和操作系統核心體系架構，大力開展生態體系建設，已經取得扎實成效。一是基于處理器和操作系統計算平臺，初步構建了涵蓋數據庫、中間件、辦公軟件、安全套件、瀏覽器以及常用工具軟件、外設驅動、開發運行環境等核心辦公生態系統，構建形成了包括5大類、24小類、134項產品的基礎軟硬件生態環境以及配套的產業供應鏈，面向辦公領域的生態體系基本完備，已開始向支持事務處理的生態體系擴展。二是針對現階段軟硬件產品發展迅速導致的版本混亂現象，探索了一套有效的管控辦法，并設計了軟件分發及管理系統，用于支撐生態系統的管理，提高軟件易用性。三是面向高新電子高端復雜應用需求，遙感影像處理、三維 GIS展現、三維實景仿真等生態體系日趨成型，初步形成支撐典型高新電子的應用環境。

3 基礎軟硬件生態發展和應用中的若干問題

當前信息產業已成為國家主要產業之一，在國民經濟中處于支柱地位，但核心和基礎技術能力仍存在不足，生態有待完善，與國際商用主流體系相比還有較大差距，嚴重制約了信息產業的可持續健康發展。經分析研究，目前基礎軟硬件生態在發展和應用過程中還存在以下幾個方面的主要問題。

(1）生態體系不健全，還存在短板和缺項。目前，基礎軟硬件與國外同類軟硬件產品相比，技術積累還不夠深厚，基礎軟硬件產品之間的集成優化還存在一定的問題，生態體系不健全，產業鏈不完整，特別是在EDA軟件領域、高端芯片制造工藝上還存在關鍵短板和嚴重缺項。同時，核心技術產品碎片化[2-3]現象嚴重，基礎軟硬件產品完備性和可用性不夠，不僅行業所需要的商用軟件在相關平臺上比較缺乏，存在已有軟件穩定性和可靠性不高，大量開源軟件存在移植難，性能和商用主流產品差距大的問題。而且，面向基礎軟硬件產品及系統的故障診斷分析、維修維護能力還未形成，支撐信息系統規模化應用的體系化服務保障能力還存在差距。

(2）驗證評估能力薄弱，缺乏體系化的適配優化。目前，基礎軟硬件產品尚未實現貨架供應，在使用前需要經過充分的試驗和選優。同時存在集成驗證與綜合評估能力薄弱，對關鍵軟硬件、整機、應用軟件及系統的仿真測試、系統驗證以及綜合評估的方法和手段不足，產品的認證能力較低。前期的試點過程中，重點進行了單品的試驗驗證，但在規模應用全生命周期的體系化驗證方面還有不足，包括方案的論證、技術指標的合理性、問題的分析定位等。因此，亟需建立適合規模應用需求的體系化驗證平臺，覆蓋單品、產品組合、系統研制完成后技術指標、出廠前軟件測評、安全檢測等方面的驗證。

(3）適配驗證工作重復投入，成果難以復用。我國基礎軟硬件產品研發雖然已經取得長足進步，但廠商及其產品一直處于分塊研究狀態。同時，按照以項目推進的方法，頂層規劃不夠，各研制單位在基礎軟硬件選用、適配、調優過程中多頭重復投入，標準化程度差，攻關成果難以復用。客觀上造成了主體責任不清，遇到問題互相推諉，無法有效解決規模應用中的問題。

(4）缺乏向新領域生長的價值評估驗證能力。當前，云計算、大數據和人工智能技術已經進入了爆發式應用增長階段，開始與各行業業務深度融合，應用落地、平臺構建、生態培養同步并舉，廠商之間的競爭在多個維度同步開展。信息技術和產業生態鏈的建設和運營已經開始全面競爭。我國對云、大數據、人工智能、邊緣計算、物聯網等新興信息技術的試驗驗證還處于起步階段。

4 基礎軟硬件生態建設發展的若干建議

面對應用領域和規模不斷擴大的新要求和新形勢，加快基礎軟硬件生態建設必須全方位著手，練內功、使長勁，逐漸構建完善的基礎軟硬件生態體系。

(1）營造基礎軟硬件生態成長的良好輿論環境。要充分把握“棱鏡門”事件、中興事件、華為事件、舉國抗擊“新冠”疫情等帶來的契機，抓住前所未有的有利發展形勢，進一步引導形成寬心、寬容、寬松的輿論環境、工作環境和網絡環境，積極對待創新應用在前進步伐中出現的暫時性問題，讓基礎軟硬件生態在不斷試錯中健康成長。

(2）基礎軟硬件生態建設是一個體系工程，包括半導體材料、芯片、元器件、基礎軟件、中間件、整機、應用系統、開發平臺、標準協議、EDA軟件、芯片制造設備、服務保障技術等，要從整體、全面角度來實施構建，補短板、強弱項、填缺項，使得生態體系豐滿健全。一是補齊補全事關信息技術長遠發展的技術短板。比如，目前與商用機器相比，整機的可靠性方面還有一定差距，這個短板影響系統的推廣應用，須下大力氣限時解決；二是增強影響應用的能力弱項。比如，目前高端通用芯片的性能雖然提高很快，但和國外主流商用芯片相比仍有差距，限制了在某些領域的應用推廣；三是迅速填滿影響生態建設的急需項目。目前對新興信息技術起支撐能力的存儲芯片等領域，仍存在許多技術空白，針對這些短板要一如既往攻堅克難，牢牢把技術掌握在自己手里。

(3）建立適應基礎軟硬件生態體系建設的新機制。基礎軟硬件生態體是一個復雜的系統，需要從體系建設、聯合創新等方面著手，齊抓共管，建立一整套良性機制，保障生態建設有條不紊地向前推進，具體措施如下：

①聯合創新。當前基礎軟硬件生態主要面臨技術路線多、單個生態不夠豐富強大、生態建設參與者少等問題。一是生態系統建設要聚焦，以CPU+操作系統綁定的方式來構建生態系統；二是要聚力，不同CPU+OS之上的生態體系，統一實施，牽頭建設，便于復用產業資源、借鑒生態進展、互補生態要素；三是要創新，生態發展要兼顧國內、國際技術資源力量，最大限度匯集國際開源開放資源和大眾創業萬眾創新等各種力量，促進生態快速發展。

②超前布局。生態環境建設是系統工程，頂層規劃布局尤為重要。面向前期生態發展過程中出現的生態基礎不完善、技術支持不充分、人才隊伍不完備、應用服務支撐不到位等問題，提前布局生態建設，將一系列基礎、關鍵技術、產品及配套環境建設好。一是要在生態建設之初科學布局規劃芯片、芯片制造、EDA工具、編譯器、開發工具、運行支撐庫、生態管理系統、標準規范等；二是圍繞人工智能、大數據、SDN、物聯網、5G、區塊鏈等新一代信息技術領域開展研究，提前做好大規模應用準備；三是加大人才培養、教育培訓等方面支持力度，確保后續技術人才隊伍儲備；四是在適配驗證、優化遷移、服務保障體系等方面進行布局，以適應規模化應用支撐保障需求。

③應用牽引。發展對基礎軟硬件生態提出了迫切需求，同時生態建設必須依靠應用來帶動，但是當前的試點示范應用規模不足以驅動生態的發展。建議一是加速推進在政務、金融、交通、能源、醫療、教育等重點領域的大規模應用，通過重大工程應用，提出建設需求，保障建設經費，促進產業建設發展；二是通過規模化應用，更準確地梳理生態需求，通過對標國外生態體系，找出生態差距并補齊和豐富生態環境要素；同時通過規模化應用，充分調動各類資源共建生態，通過價值鏈-供應鏈-產品鏈的有序傳導，整合產品，豐富生態；三是充分利用當前國家大力支持線上辦公、在線教育、互聯網醫療、無人經濟等新業態發展契機，實現跨越發展。

④共享共建。適應新時代產業建設和發展要求，借鑒“兩彈一星”、“探月工程”等舉國體制成功經驗，發揮政府的引導作用[4]和市場資源配置的決定性作用，發揮產業界、科技機構、客戶等各類建設主體的作用，建設培育良好的基礎軟硬件生態。

5 結論

本文從生態、技術生態、產業生態、基礎軟硬件生態等概念著手，闡述了基礎軟硬件生態的內涵，分析了基礎軟硬件生態體系建設發展的現狀和存在的問題，提出了針對基礎軟硬件生態建設的若干建議和措施。希望本文的研究成果能夠為基礎軟硬件生態體系建設提供一些有益的參考和借鑒。