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邬贺铨:大数据驱动与互联网思维
作者:whq发布时间:2019-06-06 10:32:47
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邬贺铨  中国工程院院士

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今天,要讲到三个方面的问题,一是信息化进入“大智移云”新时代;二是大数据营造智慧城市新理念;三是互联网激发创新发展新思维。

一、信息化进入“大智移云”新时代

2013年3月4日,习近平总书记出席全国政协十二届一次会议的科协、科技界委员联组会,并发表重要讲话。他强调,移动互联网、智能终端、大数据、云计算、高端芯片等新一代信息技术发展将带动众多产业变革和创新。

77年前有了电视机、70年前有了计算机、57年前有了集成电路、50年前有了光纤、47年前有了互联网、42年前有了PC机、37年前有了手机,27年前有了WWW、17年前有了3G,而现在则有了4G,这些都是半个多世纪以来信息技术的发展历程。我们走过了以计算机为中心的PC时代,来到了一个以软件为中心的网络时代、以服务为中心的云计算时代、以应用为中心的物联网时代,现在又轮到了以用户价值为中心的大数据时代。互联网的发展趋势也从网络共享到信息共享、资源共享、感知共享再到知识共享。信息技术经历了几十年的巨大发展,现在又面临新一轮的换代。早在几年前,电视机时代就已变成了数字化、平板化电视时代,现在我们进入了移动互联网时代、后PC时代和后WEB时代,不出几年我们还会进入云计算时代、后摩尔时代、物联网时代和大数据应用时代。

集成电路发展十年百倍

信息技术发展的基础是集成电路。每台计算机、手机上都有CPU,而每一个CPU芯片上又有很多的晶体管。自1959年集成电路发明以来,一个集成电路单位面积上的晶体管数量,基本上每隔18-24个月便会增加一倍。从早期的8086、286、386、486,发展到后来的奔腾、酷睿系列,截至2015年,一个CPU芯片已拥有80亿个晶体管。在过去的30年,CPU运行速度提高了100万倍,而内存价格下降了45000倍,硬盘价格下降了360万倍。如果汽车价格以与硬盘同等的速率下降,那么今天我们买一辆新车只需要0.01美元。如果汽油性能以同样的速度发展,那么现在1升汽油能够使飞行器环绕地球飞行573圈。到目前为止,没有任何一种技术能像信息技术这样高速发展。

2015年,英特尔、台积电和三星的CPU芯片产品已做到14纳米,未来还会进一步做细。而我国中芯国际目前的产品水平为28纳米,与国外相比落后了两代。现在,集成电路发展面临代工线成本高昂、芯片发热严重等严峻挑战,所以,未来亟待新一轮的材料和工艺技术革命----后摩尔时代!

软件定义一切

软件从互联网环境发展到普适计算环境,用户数量和复杂度剧增,软件的应用无所不至。一般来讲,软件是用其程序的代码行数来表现其复杂性的。1972年阿波罗登月飞行器软件仅有4000行代码,如今华为传感器有10000行代码,日本高铁的列控软件有数百万行代码,雪佛兰、奔驰等汽车的内置软件规模有1000万到1亿行代码,空客飞机软件有10亿行代码,PC的 Windows7操作系统有3000万行代码、Windows10操作系统有5000万行代码,苹果手机和安卓手机的操作系统也有上百万行代码。现在,智能手机操作系统的复杂度是当年阿波罗登月飞行器软件的好几百倍。软件从面向模块到面向数据、面向事件、面向用户、面向对象、面向认证的设计,向着构件化、语义化、智能化、服务化方向发展。

软件编程的难度较大。现在美国已经做到,你只要提出任务目标和需求,Dropsource自动代码编写平台就可以自动编写APP程序。

计算无所不在

计算能力的演进经历了从20世纪50年代的大型计算机到60年代的小型计算机、80年代的个人计算机、90年代的笔记本电脑,再到现在的移动智能终端(手机、平板电脑)。世界上第一台电子数字计算机发明于1946年,占地170平方米,性能不及现在的计算器。1975年美国航空航天局用500万美元购买了一台超级计算机Cray-1,其性能不如IPhone4。1985年美国国防部买来一台当时最好的超级计算机Cray-2,现在来看其性能不及iPad 2。1980年1GB闪存卡的价格100万美元,1997年将近8000美元,而现在只需25美分,这就说明信息技术的进步,带来功能的提升和成本的下降。

超级计算机能力十年千倍

从全球TOP500超级计算机能力看,超级计算机的能力是每10年提高1000倍,PC机的能力是每20年提高1000倍,而计算成本和存储器成本分别是每10年下降10000倍和20000倍。我国天河二号超级计算机连续三年六次排名第一。但是,它所用的1.6万个芯片,主要来自美国英特尔公司。2015年,美国商务部禁止英特尔公司向天河二号供应芯片。当然,我国早已开始研发自己的芯片,并用于神威·太湖之光超级计算机。2016年6月,神威·太湖之光在德国通过测试,在世界超级计算机500强中排名第一。更为重要的是神威·太湖之光有4.1万个芯片,每个含260个核,全部为自主研发。那么,美国在干什么?美国计划在2020年开发出计算能力是天河二号100倍,而功耗和天河二号一样的超级计算机。就在美国宣布这个计划之后,2016年7月中国也启动百亿亿次超级计算机的研制工作。

云计算

现在,大部分企业用的不是超级计算机,而是云计算。从80年代的数据库、90年代的互联网数据中心(IDC),发展到现在的云计算、云服务。随着信息化的发展,每个单位自建信息化系统是不经济的,不如把自己的数据放在第三方云计算公司的服务器、存储器上。第三方云计算公司把它的基础设施当成服务来出租,这也可简单地理解成数字房地产,无非就是租用一些空间。云计算公司不会停留在这一步,还可提供一些软件工具、中间件、数据库供租用单位开发自己所需的软件。对于大多数中小企业来讲,有了工具也未必具备软件开发能力,不如直接租用云计算公司的软件,这就是软件即服务。云计算公司还可以提供各种各样的数据以及数据挖掘工具以供租用。

云计算的出现跟当年爱迪生发明电的时候相类似。爱迪生发明了电以后,每个工厂都自建发电机,每个政府部门都自己安装发电机,现在还有吗?都是用第三方发电公司的发电机。随着信息化的发展,对信息化的集约式利用越来越普遍,云计算也发展成为集约式的信息化服务。比如,阿里巴巴、亚马逊等电商,现在也已变成云计算服务公司。中国电信联合华为推出天翼云3.0,他们以国有企业的身份来提供云计算服务,在信息安全上更有可信性。


光纤传输技术的发展

20世纪80年代,中国的有线传输线路使用同轴电缆,当时每3公里一个增音机,使用频分复用方式传输模拟信号,一个频段一个话路,可做到4380路容量。美籍华人高锟先生发明光纤以后,光纤很快进入应用。90年代初,一根光纤可以存2.5G,3万电话电路,采用时分复用(TDM)方式传输数字信号。实际上,一根光纤不仅可以一个波长传送,还可以采用多个波长,所以,出现了波分复用。这样将每个波长都利用起来,一根光纤可以存1.6Tbps,即2000万电话电路。另外,光纤还可以利用更多技术提升容量,目前实验室已经做到一根光纤可以存16T,即2亿电话电路。这样,单纤传输容量4年提高10倍,20年提高1万倍,截至目前的最高纪录是单波长存400G,单纤传输100T,而光纤成本10年下降了50倍。中国的光纤光缆产业发展越来越大,每年生产全球一半的光纤光缆,而中国市场也消耗掉全球一半的光纤光缆。10年前,购买一根光缆平均到一芯公里光纤的价钱是2000块人民币,而2015年的报价是40块钱。可见,现在光纤做得已经很便宜了。

互联网的演进

互联网从20世纪70年代美国国防部的ARPANET,到90年代的公众互联网,再到21世纪初的全球互联网,发展到现在的下一代互联网。互联网技术从TCP/IP到P2P/WEB2.0,再到Cyber-Physical System系统。互联网地址从NCP发展到IPv4、IPv6。互联网从一个收发邮件的联系平台,到可以上网查阅文件、观看视频的浏览平台,而微博、博客的出现又使互联网成为一个交互平台。实际上,互联网也是一个工作平台。例如美国有一个网站名为第二人生(Second Life)。网民在这里可以付费租用游戏设计软件自己设计游戏,当然也可设计服装、汽车和房子等,后来专业公司发现网民的设计有的更适合市场需要,便出资收购,于是就形成了交易。同时,也出现了洗钱、贩毒和黑客。美国国防部在这里发现网络精英,中国安全部也注意到这里。另外,美国有一个神经外科医生,将大量病人的脑部CT扫描图放到网上,许诺奖励来鼓励网民帮助自己找出个别有与众不同黑点的CT扫描图,从中发现肿瘤病灶,这一做法吸引了大量网民参与。所以经常说,互联网是一个廉价的劳动平台。

互联网从传数据,到传话音、传视频、传M2M(机器到机器信息);从有线接入到无线接入、宽带接入、移动接入;从拨号接入到永远在线;从网络业务到电信业务、媒体业务、物联业务;从研究网络到商业网络、泛在网络。互联网的发展有40多年的历史,进入我国也才22年。现在,我国网民规模达6.88亿,互联网普及率也已过半。早年,我们到人民网、新浪网等网站上浏览专业编辑人员采写的信息,这称为WEB1.0。现在,很多年轻人更多的是浏览大V、网红等网民产生的信息。未来,我们希望互联网更加智能化。比如,我们搜索一个关键词会出来上万条信息,要逐一点开查看才知道里面的信息是否有用。相当于互联网只为我们提供了参考书,并未直接给出答案。而未来,希望互联网能做到这一点,我们给出一个关键词,它自己便能检索、查阅所有资料并写出综述。未来的互联网要向宽带化、移动化、泛在化、智能化以及安全性、可用性、可信性方向发展。

5G扩展移动互联网的应用

移动互联网的发展,早在80年代,我国第一代移动通信的基站利用频率区分用户,即频分多址(FDMA);第二代移动通信GSM,用不同时隙区分用户,即时分多址(TDMA);第三代移动通信3G,用不同码道区分用户,即码分多址(CDMA);现在的4G采用正交频分多址技术(OFDMA),把频率、空间和时间的复用因素都利用起来,使得4G峰值数据可达百兆量级。当我国还在发展4G的时候,国际上关于5G的研究就已开始。从1G到4G主要面向的是个人通信,而从5G开始扩展到面向产业应用。一是支持4K电视、虚拟现实和增强现实等移动宽带应用;二是提供高可靠低时延通信,例如在高速公路上车速在200公里时要防止汽车发生碰撞,就要反应很快,至少延时不能超过1毫秒。还要适应高铁进一步提速,5G的设计目标是高铁时速将来可达500公里/小时。三是5G对物联网和大规模产业互联网的支持,支持一平方公里上百万个传感器能连上网络,等等。5G相较于4G,其用户体验速率提高10倍,频谱效率提高3倍,移动性提高1倍,无线接口延时减少90%,连接密度提高10倍,能效提高100倍,流量密度提高100倍,峰值速率提高30倍。到5G普及时,5G的平均速率可达100兆,峰值速率20G。

过去,我国3G、4G牌照的发放得比发达国家要晚,现在,我国提出要引领5G发展。2015年,日本计划于2020年东京奥运会上实现5G技术的商用,韩国也表示要在2018年平昌冬奥会试用5G技术,中国宣布将在2020年启动5G商用。也就是说,不到四年的时间,大家就要换手机了。有人问5G资费如何?单位流量资费会比现在要便宜得多,但大家要小心的是如果一秒钟下载20G,那总资费还会比较多。

移动智能终端的发展

早年,我们的手机只能听和讲,现在不仅可以看和写,还可以触摸和感知,人机接口发生了很大变化。手机的功能也越来越强大,从2000年可以听歌、2001年有了彩屏、2002年有了照相机、2003年有了手写功能、2004年可以录音、2005年能看电视、2006年有了GPS、2007年能上WIFI、2008年有了触摸屏,2009年有了传感器,到现在,手机处理器为多核,还配有重力感应器和陀螺仪。如果你不慎摔了一跤,手机会自动发短信给医院和家人。医院则会根据数据分析机主的年龄、病史,之后还没等你站起来,医院的救护车就通过手机定位找到了你。另外,手机的光线感应器等功能,可以使屏幕白天不亮,晚上亮。一个人老花眼,看短信要靠近,手机就能检测到,随后自动将字变大,并重新排版,以适应屏幕大小。

苹果公司发明了手机触摸翻屏技术,现在有的公司为了不侵犯苹果公司专利,发明了只要对着手机摄像头挥一下手就能翻屏的功能。还有的公司称不用挥手这么大动作,只需眨一下左眼翻左页,眨一下右眼翻右页,点一下下巴双击即可。另外,美国有一个APP,花2.99美元下载装到手机上,之后把手机往肚皮上一扫,就可以知道身体什么地方有炎症。微软收购诺基亚后开发了一个语音搜索、语音翻译功能,借助云端能力的支持可以翻译26种语言。按一下语音键选择英文,你就可以和英国的朋友沟通,你讲中文他听英文,他讲英文你听中文。另外,你到国外旅游,只要对着指示牌拍照,就能把外语翻译成中文。

2014年年底,在乌镇召开的世界互联网大会上,日本首富孙正义发言说,30年后,假设苹果公司还存在,那么苹果要卖Iphone32了,价格可能还是300美元,可是CPU的性能和存储器的容量将会是现在的100万倍,通信速度是现在的300万倍,可以存5000亿首歌曲,3万部电影。也就是说,现在的智能手机比美国国防部10多年前的超级计算机还要厉害。现在,我国的智能手机产量占全世界的70%以上。手机不再是一个简单的通信工具,而已成为人们的个人生活助理。

物联网及窄带物联网

互联网发展的另一种趋势是物联网。物联网的底层借助无线射频识别技术(RFID)和传感器等实现对物件的信息采集与控制,通过通信网络汇集信息。搜集信息的目的是为了分析和决策。所以,物联网是互联网从连接人到连接物的应用拓展。物联网自2008年金融危机之后广受关注,但其的发展和普及并不令人满意。其原因在于,没有合适的传输手段。智慧城市等应用需要低功耗广域物联网,而WIFI、蓝牙技术、光纤和移动通讯网络虽可用,但难以满足可靠性和低功耗、低成本的要求,因此,目前接入到运营商网络的物联网终端仅有6%。

2016年6月,在韩国釜山召开的3GPP物联网标准会上通过了一个窄带物联网标准NB-IOT。它是在运营商的频率上挤出一个频段200kHz,用正交频分多址技术划分为多个子载波,支持多个物联网连接,采用一些先进技术,每个信道容量能达到几十到几百kb。它有四大特点:一是广覆盖,在同样的频段下比现有的网络增益高20dB,覆盖面积扩大100倍。二是大连接,一个扇区能支持10万个连接,比现网高出50-100倍。三是低功耗,终端模块功耗为2G的1/10,待机时间可长达10年。四是低成本,单个接连模块目标1美元。未来,窄带物联网将为低功耗广域物联网应用开辟一个很好的前景。

可穿戴设备的应用

谷歌研发出一个眼镜,摸一下镜框,就能翻页。挂在胸前的手机可投影到手臂上,那么在手臂上就可以浏览手机信息。还有的公司研制出蓝牙钢笔,它可使记录在纸上的信息同步传送到手机上。另外,百度也开发了一个眼镜,一边是摄像头,一边是送受话器,它将你看到的东西送到云端,搜索之后,给以解释,实现了所见即所知。习近平总书记曾说,要让互联网发展成果惠及13亿中国人民。那么,我国13亿人中有残疾人,他们怎么上网呢?盲人阅读的书本是凹凸不平的,而屏幕不可能凹凸不平,怎么办?手指阅读器。手指上戴上一个装有摄像头的指环,手指指到哪个词,指环就自动读取,甚至还可以翻译出来。盲人不知道手指指到哪里?不要紧,有震动功能,每翻一页,指环会把手指挪到第一个词上,读完一个词再引导到下一个词。

增强现实和虚拟现实的应用。比如,你在商场试穿一条红裙子时,还想试试蓝色的,不一定要换,只需要对着镜子说我要换成蓝色的,那你想换成什么颜色就会换成什么颜色,甚至还可以修改这条裙子的款式。这就是虚拟现实与增强现实的结合。另外,还可以利用虚拟现实培训工人。不会修汽车的工人戴上眼镜,跟着眼镜的指示,一步一步完成汽车修理的工序。阿里公司还希望将虚拟现实用在购物上,把手机当成眼镜,进行日常消费。总之,现在各种各样的视频宽带化促进了大数据的出现。

大数据、大数据技术及其应用

2008年世界上平均每个网民每个月下载1G,2014年平均下载10G。现在,全球新产生的数据量年增40%,全球信息总量每两年就可以翻一番。2015年全球新产生的数据量是8.2ZB,可以装满2600亿个32GB存储容量的iPad,这些iPad可以堆砌起9座中国长城。到2020年,全世界新产生数据量将达到40ZB,如果把它们全部存入蓝光光盘,那么这些光盘的重量相当于424艘10万吨以上的尼米兹号航母的重量。

什么是大数据?大数据没有权威的定义。可以说,大数据代表了由大容量、快速增长和多样性表征的、需要特定技术和分析方法将其转换为有价值的信息资产。大数据首先是量很大,其次是变化很快,再有变种很多。Word、Excel表达的数据是结构化数据,视频、照片就是典型的非结构化数据。仅是大、快、变不足以说明大数据有用,关键是价值。严格来讲,大数据价值密度低,也就是说,大数据中的大部分都是垃圾,要通过沙里淘金、海里捞针,把有价值的数据挖掘出来,正因为有一定难度,所以才珍贵。

大数据挖掘,首先要有数据资源,以便技术采集。其次,根据需要处理的数据的不同,使用不同的数据库。然后在后台,还需要一些大数据挖掘软件和方法来支撑。在这一过程中,建模是比较难的,不过目前美国MIT大学提出了自动建模方法。

人工智能与深度学习。举个例子。2012年10月,微软研究院院长里克·雷斯特博士在天津的演讲中,介绍语音机器翻译技术。这种技术基于上百万网页素材和大数据及深度神经网络技术,将演讲者所说的英文实时翻译成中文,并用演讲者的声音和文字展示出来。谷歌人工智能阿尔法狗(AlphaGo)在与李世石进行人机围棋大战中,用的是同样的技术。这是大数据技术的应用。

信息融合和信息抽取。举个例子,我们可以将拍摄、搜集的大量古罗马遗址照片,通过信息融合技术拼接起来,这样就可以还原一个古罗马。另外,为突出视频或图片中我们所感兴趣的东西,可以屏蔽其他无关内容。大数据利用信息融合技术,从时空分布的信息中综合出一个全局的观念,它利用信息抽取技术,从复杂的信息中突出我们所感兴趣的部分,这就是大数据分析。它使我们有全局的观念,也能让我们感受到所关注的东西。

大数据的虚拟化和可视化。为了确诊患者的肺部病症,医生可能要看几百张、几千张CT扫描图,工作量、难度都很大。现在通过大数据技术把这些CT扫描图合成一个虚拟肺,之后医生就可以综合观察患者的肺部问题。大家知道,在乳腺癌活检中最难的是如何真正找出有癌细胞的位置,这非常考验医生检测的准确率。美国一个高中生,与一家医院合作,以机器学习算法分析760万乳腺癌患者的数据,设计了定位活检乳腺癌细胞的算法,位置准确率达96%。

大数据,不是我们收集了大量的数据,将一大摞文件、图表交到领导手上,而是必须要通过大数据挖掘,最后得出一张图、一张表、一个视频、一句话,成为最简明的决策数据。

人工智能的发展

大数据离不开人工智能。20世纪50年代,美国学者提出人工智能概念,认为依靠计算机能力,就可以谱写被认可的乐曲,写小说等。但是,这些都没有实现。后来,又提出专家系统,它是把多个专家的经验输入计算机,就好比把很多名医的处方结合在一起。专家系统的出现,把人工智能向前推进了一步,但它永远只是模仿,无法超越专家。现在,人工智能可以学习。人类跟其他动物的区别就在于人类会学习。专家系统只显示出专家曾经做过什么,不会比专家更好,但现在它能学习,就会比专家更好。比如刚才提到的阿尔法狗,它利用现存于人类数据库中的围棋棋谱,通过自我对局3000万盘的方式学习、训练,得到了完整的围棋程序,最终战胜了围棋大师李世石。这就是因为人工智能会学习。

随着“大智移云”时代的到来,人工智能从高大上走向接地气。人工智能的应用范围很广,目前包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

现在,信息技术发展走到了一个新时代——“大智移云”时代。何谓“大智移云”?具体说来,“大”是指大数据,“智”是指智能化、物联网,“移”是指移动互联网,“云”是指云计算。知名市场调研机构IDC公司曾经发布的一份报告显示,创新平台分为三个阶段:1985年以前,全世界以计算机为创新平台;2005年以前,全世界以互联网为创新平台;到2020年以前,移动宽带、云服务、社交应用和大数据将成为新的创新平台。预测“大智移云”将支撑2020年全球信息产业收入的40%和增长份额的98%。



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邬贺铨
中国工程院院士 国家科技进步奖1988年一等奖 〔863〕计划专家组组长
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