非冯诺依曼网络计算体系

工业社会的发展历史可以概括为被机器替代的人力重构了生产关系，新的生产关系孕育出更先进的生产力。而承载着先进生产力的基础设施决定着一个国家的经济基础和国际地位。回到眼下，第三次工业革命带来个人计算机（PC）与移动计算设备的平民化，随之被解放的体力和简单脑力资源催生了互联网与移动互联网飞速发展的二十年。当量变积累成质变，我们迎来的便是第四次工业革命。信息物理系统将通信的数字技术与软件、传感器和纳米技术相结合，彻底消除物理世界与虚拟世界的边界。第四次工业革命将重度解放人脑，而被释放的脑力资源终将被再次投入创造和娱乐两个方向，从而再次重构生产关系。不难看出，在这个过程中，无论新的生产力还是新的生产关系都将大幅提升对信息计算、传输、存储的需求。支撑信息计算、传输、存储的核心基础设施之一就是算力。物理世界基础设施的建设已经成百上千年，而信息化平行世界的基础设施建设才刚刚开始。

20世纪90年代，中国通过引进先进国家的芯片和操作系统，快速使全国人民用到了高性能的
PC。当时不盲目选择、坚持发展自主技术的“民族精神”，
促使众多有识之士投入芯片和操作系统的研发中，
换来了21世纪我国成功将人口红利转化为人才红利（尤其是工程师红利）的基础。人口红利与人才红利的共同作用让中国在计算机软件、互联网和移动通信领域的基础设施建设高速发展，迅速跻身世界前列，进一步为大数据、人工智能这些信息技术明珠的璀璨埋下伏笔，同时更造就了托起这些明珠的皇冠——云计算这个的新的信息基础设施。今天，对于率先迈入云计算时代的中国，这条产业链上的底层技术实现自主可控就变得势在必行,而其中为核心的就是芯片技术。随着开源芯片架构RISC
Ⅴ的诞生，我国受制于西方已久的局面有了重大转机，而且还有足够的西方先进经验可以学习，这也是我们的后发优势。

然而半导体工艺发展至今，摩尔定律已接近尾声，工艺进步对处理器能力提升已无法匹配正呈指数级增长的算力需求。同时，现有的计算机体系结构仍沿用在资源匮乏时代诞生的冯·诺依曼结构。通用处理器CPU上运行着层层堆砌的无比复杂的软件，在多核平台保证并行性能的实现复杂度引发了第三次软件危机。换句话说，冯·诺依曼结构先天的缺陷导致其无法适应第四次工业革命生产力发展的需求。进一步提升算力好的方法就是摒弃冯·诺依曼结构，建立新一代人工智能时代的通用网络计算体系。这也正是本书的主题。

本书由两部分组成，各自独立成篇，内容涵盖了人工智能和云计算时代的核心信息技术、非冯诺依曼网络计算体系构架以及存储、互联网和移动通信等众多热点话题。本书是对过去数十年信息技术的再思考和扬弃，包含对计算机时代、互联网时代、移动互联网时代、云时代、人工智能时代以及价值互联网时代
总体构架和演变趋势的深入分析，以及高汉中先生和我
在相关领域的自主研究和实践。但是，请您不要以为本书是一本博采众家的大杂烩。
尽管本书所涵盖的范围极广，但书中的每一个观点都与您在网上或图书馆中找到的答案截然不同。

本书的篇是全书的理论基础，主体内容在高汉中老师和我于
2012年出版的《云时代的信息技术——资源丰盛条件下的计算机和网络新世界》一书中已经做了基本阐述。该篇重点探讨了信息世界的三大关联领域：计算机领域、互联网领域、移动通信领域。我们着眼资源丰盛时代的算力需求，提出颠覆性的理论创新，从道的层面重新解构信息的计算、存储与传输，提出一种非冯诺依曼计算体系，定义了一种神经网络计算机。它由神经元传导协议、信息处理流水线、极多线程状态机、异构算法引擎、跨平台数据结构，以及按内容分类的信息库、文件库和媒体库结构等要素组成，使构建大一统网络成为可能。

本书的第二篇是全书的核心，篇名是“非冯诺依曼网络计算——人工智能环境下的计算和网络新体系”。该篇
是高汉中老师和我近年来进一步思考的结晶，提出了人工智能时代的通用计算网络构架，简称Rabbit系统，把实现专用芯片的思路推广到其他众多更普遍的算法上，以求实现通用的可编程硬件模式，对三项基本的资源（带宽、算力、存储）定义了三项基本的应用（感观网络、人工智能、镜像存储）。Rabbit的核心价值可以概括为：在计算上，突破算力资源规模瓶颈和CPU结构限制，颠覆传统计算机和软件工程；在传输上，增强实时互动能力，包括有线和无线通信，颠覆传统互联网；在存储上，建立虚拟与现实的对应空间，全面改善系统的反应能力、并发能力、反馈能力、实时性和安全性。
后是附录，收录了过去二十余年高汉中老师和我曾经发表过的文章，
代表了我们在通信和计算领域内深入研究和自主思考的轨迹。作为行业资深工程师和理论研究者，我们对十多项孤立的热点技术的必要性和可行性进行了比较和探讨，并重点涉及三大关键领域（计算机、互联网、移动通信）的深层次原理及相应技术选择的深入研究。这也反映了我们从学习、理解，到概括，再到创新突破的全过程。

为了方便读者，在下面的内容中，我们先将本书的立论基础和核心观点提炼总结出来，其具体内容将在书中逐步展开。
1. 云时代的信息技术
众所周知，IT行业的有识之士早已看到了计算机、互联网以及无线通信技术面临的困境，但是，解决问题的出路在哪里？
多年来，由于传统束缚、惯性思维、既得利益、资源垄断、“近亲繁殖”等各种原因，IT产业过多地专注于微观层面竞争和快餐式应用，鲜有人敢于直面宏观问题的根源。经过长期研究，本书同时论述信息领域三大主题，即计算机、互联网和移动通信的发展瓶颈和重大缺陷，提出颠覆性理论和发展观。

纵观历史，计算机和网络发展过程中有许多关键的选择点，串起这些节点可以清晰地看到信息技术的进化轨迹。我们认为：在当年相对匮乏的资源环境下，这些选择是合理正确的；但今天的资源环境已经发生翻天覆地的变化。在新环境下，如果我们退回到某些关键节点，重新审视当初的决定，调整方向，做出更佳选择，将会取得创造性的跨越式发展机遇。实际上，正是我们在资源贫乏时代做出的某些短视选择，造成了长期发展的瓶颈，虽然我们后来采取了一系列补救措施，但治标不治本，导致终陷入了如今难以自拔的境地。预见未来后而敢于后退，从而开始全新的未来发展空间，这正是颠覆性历史创新的思想纲领、跨越性发展思路的哲学本源。
具体地，本书认为，只要转换到资源充分富裕的思维模式，采用“退回去重新选择”的方法，解决当前计算机和网络难题的途径不可思议的简单，“大道至简”，遵循本书的理论、技术和推广路线图，能够对未来网络经济发展起到不可估量的进步作用。想要知道其中的秘密，以及获得相匹配的商业机会，您需要付出的代价无非是仔细阅读本书内容。如果您急于知道这个秘密，那么，可以概括为一句话：舍得扬弃过去三十年积累的传统理论和技术思路。
1) 在计算机领域
我们看到一个事实：过去五十年，可追溯到PC之前，例如今天中国铁路售票系统与四十五年前美国航空订票系统相比，计算机的运算能力累计增加数亿倍，但是，服务能力仅累计增加数百倍，这足以说明当前计算机效率不可思议的低下。

本书揭示另一个事实：一百多年前，制造业的生产流水线已经获得巨大成就，但是，今天在高科技的计算机领域，居然还在延续原始的行为模式，具体表现为串行操作的CPU硬件和洋葱式的层叠软件，系统能力受限于手艺精湛的“老师傅”，即单一的应用软件。

本书还揭示第三个事实：八十多年前，自从图灵发明有限状态自动机以后，计算机发展出了两个主要流派：以冯·诺依曼
结构为代表的独立硬件和软件体系取得了巨大的商业成功；另一派神经网络由于理论缺陷而从计算体系退化成为算法。

进入云时代，我们将看到，云端运算力主要消耗在实时多媒体内容的深度加工，以及各类人工智能的应用。传统冯·诺依曼计算体系遭遇难以逾越的瓶颈，云计算提供了技术和应用之间的天然隔离。所有事实表明：突破冯·诺依曼计算体系的时机到了。

本书篇提出云端信息中枢概念。一方面，通过剥离多媒体内容，将人性化环境建设指派到用户终端，拧干传统PC模式的低效率水分；另一方面，通过基于神经网络的非冯诺依曼计算机结构，拓宽传统神经网络的局限，无限扩展系统功能和规模。其贡献包括创新思维模式、计算理论和技术，充分展示了云端计算体系的完整性、新颖性和实用性。很明显，这是从台计算机问世以来的结构性变革，作为开创云时代的奠基。
2) 在互联网领域
云时代的特征是娱乐和体验，但是，当前的互联网表现出致命的缺陷：
（1） 网络传输品质不能满足观赏过程的体验；
（2） 网络下载方式不能满足同步交流的体验；
（3） 网络安全和管理不能满足视频通信内容消费产业的商业环境和计费模式。

更有甚者，在可预见的将来，上述问题在IP网络中解决无望。基本常识告诉我们，云时代的应用王国不能建立在沙滩上，千万不要忘记要寻找一片坚实的土地。过去，在人类没有掌握光纤通信技术的时代，我们看到的网络世界，包括传统的电信、有线电视、互联网和移动通信，统称为“窄带世界”。今天，我们看上去学会了光纤技术，但是，业界并没有真正理解光纤的灵魂，还没有真正进入到“宽带世界”。
什么才是光纤的灵魂？就是富裕带宽资源的终极目标是满足人类感官体验的极限。

本书认为，当前通信网络工业思维模式还停留在“窄带世界”。只有充分掌握光纤资源的灵魂，聚焦终极目标，整个网络才能进入一个完全不同的新世界，传统无线技术才能获得新生，大规模视频通信服务将成为可能。那时，才能称其为“宽带世界”。

进入云时代，我们将看到，大一统网络融合传统信息服务、媒体、通信和娱乐平台为一体，其中，还包括无线通信服务达到有线同质化水平。在坚实的大一统基础上，通信网络的主要任务从传递消息过渡到传递感官体验（传递消息占用的资源微不足道）。本书明确告诉读者，今天网络世界中的大部分热门技术，不论多好，在新世界终将成为多余。今天网络世界中无法解决的难题，不论多难，在新世界中将不复存在。本书并不提倡用“聪明”的方法试图解决当前网络的安全和品质难题，而是用“智慧”谋求本质上不存在安全和品质弊端的网络架构。本书揭示了一个具有战略价值的事实，未来网络是一片未开垦的处女地。
3) 在移动（无线）通信领域
移动通信和无线终端为消费者带来极大的便利，把网络服务推进到“泛在”的境地，必然成为IT产业兵家必争之地。但是，当前的移动业务主要局限在填充消费者的“碎片化”时间。本书首次提出无线通信的终极目标，这就是提供有线固网同等水平的服务。一旦移动通信充分通畅，手机终端智能自然移向云端，终端进一步空洞化，导致云时代应用突飞猛进。
实现这一目标的焦点是大幅提升无线系统宽带。但是，香农信道极限理论告诉我们，当前移动通信行业所推崇的长期演进计划不能提供足够的宽带，不能满足本书所述的终极目标，即无线多媒体业务的需求。
本书认为，解决无线通信宽带不足的根本出路在于网络架构创新，或者说，微基站网络。实际上，微基站概念是相对于当前蜂窝网宏基站而言，大幅度缩小基站覆盖半径，意味着减少单个基站服务的用户数，等效于大幅度增加每个用户的可用宽带。因此，只要不断缩小基站覆盖半径，就能充分满足未来无线通信的宽带需求。

但是，这个看似简单的微基站网络包含许多复杂问题。本书详细探讨了边界自适应微基站无线通信网络的原理，指明了破解难题的基本思路和诀窍，其中包括解决微基站间的信号干扰和快速无损切换难题。根据本书的理论，无线基站就像电灯一样，天黑了，我们只需照亮个人的周边活动环境，在照明度不够的地方随意添几盏路灯，而不是复制一个人造太阳。
在此基础上，本书还附带提出“兼职无线运营商”的推广模式和平灾兼容的解决方案。
2. 人工智能时代的通用计算网络构架
人类信息产业的归宿就是感官网络（通信）、人工智能（计算）和镜像空间（应用）融为一体。现有的互联网业务，只是附带的皮毛而已。而且，所谓的多媒体业务，属于内容范畴，好比在管道中传送水、酒或汽油，与网络结构无关。我们的解决方案归结为强云和弱端。下一代的目标是在遵循物理原则的前提下，达到人类想象力的边界。现在这个新时代才刚刚开始。

2003年2月，互联网兴起不久，高汉中先生撰写了《论下一代网络》一文，从九个方面评价了那时互联网发展中的独立热点技术，包括：①关于带宽与芯片的资源重组；②关于网络发展的三大法则；③关于多媒体网络的错误；④关于QoS的错误；⑤关于IP为王（Everything over IP）的错误；⑥关于网络兼容性和标准的误区；⑦关于保护原有投资的误区（兼论软交换、VoIP、IPv6的错误）；⑧关于接入网之争；⑨关于网络的收费机制和商业模式。

2012年，高汉中先生和我联合出版了《云时代的信息技术》一书，书中不再谈论前面那些孤立的技术问题，而是重点探讨信息世界三个不同的关联领域，并从中提取系统精华，探索应用市场，涵盖计算机领域、互联网领域和移动通信领域。该书进一步揭示出这三大领域是不能分离的。计算机、存储空间、互联网和移动通信，必将是一个从底层深度融合的整体。类似于19世纪机械电力相关技术发展，20世纪的信息相关技术发展，将会扩展到21世纪生物和人工智能相关技术发展。未来想去遥远的星球旅行，只要把我们的思维和肉体结构文件打包，通过原子比特转换器，并以光速发送，到了那里再把比特转回原子就可以了。

根据性原理，我们的系统架构只是对三项基本的资源（带宽、算力、存储），定义了三项基本的应用（感观网络、人工智能、镜像存储）。只有这种基本的资源、规则、流程和算法，不受CPU制约，才具备宽泛的承载能力，限度地承载人类信息世界的终极应用。本书第二篇提出的人工智能时代的、基于非冯诺依曼构架的通用计算网络体系，简称Rabbit系统，将同时颠覆计算机、互联网和移动通信产业。

当然，如果我们与多个相关的行业协会讨论跨越互联网话题，这无异于与虎谋皮。的出路是像乔布斯和盖茨一样，按照自己的认知，抛开当时AT&T和IBM垄断的清规戒律，直接开辟全新市场，建立全新的事实标准。同样情况，乔布斯定义了苹果系统，盖茨与Intel定义了Wintel系统，雅虎和谷歌定义了搜索系统，谷歌定义了安卓 ARM系统。类似事件还有很多，不是孤立的特例，而是创新领域的普遍规律。

下一个阶段，我们也将定义新的事实标准，开辟超越计算机和互联网的全新市场，引导我们进入感官网络、人工智能和镜像空间的新时代。如前所述，我们面对的是一个不可分割的系统，为了描述未来信息社会的技术生态，只需通过本书第二篇的6章，每章5节，垂直解读这个结构单一而功能齐全的系统，包括：①系统理念和进化；②网络资源和结构；③硬件设备和无线连接；④系统管理和服务流程；⑤开发编程和应用环境；⑥总结和展望：画龙点睛。

希望本书为读者带来全新的视角。实际上，Rabbit系统移除不必要的边界和复杂的协议，把结构简化到极致。与此同时，功能远超传统互联网和计算机，尤其是Rabbit编程设计远比大家想象得简单。关于Rabbit系统的具体细节，您需要通过阅读本书的第二篇来获得，此处不再赘述。

本书能够在2021年新春顺利问世，首先要感谢高度重视本书并为本书审稿和作序的多位领导和专家，包括第十二届全国政协教科文卫体委员会主任、国务院发展研究中心原主任张玉台，公安部原副部长、国家网信办原副主任陈智敏，原国家信息化领导小组办公室副主任、住建部原副部长陈大卫，科技日报社原社长、国际欧亚科学院院士张景安，中共中央宣传部原秘书长官景辉，科技部原秘书长、原国务院参事石定环，以及孙家广、方滨兴、沈昌祥、张亚勤、倪光南、刘韵洁、邬江兴、林垂宙、解思深、李乐民、陈国良、郑纬民、赵春江、邓中翰、任福继等十数位中国工程院、科学院两院院士和国际院士。感谢清华大学出版社的大力支持，以及编辑们的辛勤编校。还要感谢参与本书编写的
其他几位作者，汝聪翀、王卓然、马传军和姚正斌以及
谭兴晔、刘星妍、邓丽凤、乔雪红、李昕萌和杨青等飞诺团队成员，还有中国云体系产业创新战略联盟、清华海峡研究院等机构的支持和帮助。

过去未去，未来已来。
全球正迎来科技革命与产业革命交汇的重大历史机遇期，
面对这个技术改变世界的大时代，新一代信息技术不再是支撑一个个单独孤立的产业，而是以一种前所未有的姿态站在全产业链的顶点，成为所有产业共同的技术平台。这场信息革命的影响无疑将是方方面面的、无孔不入的、裂变式爆发的。它将引发新一轮技术革命、产业革命和社会变革，使人跨越时间空间，使物理世界和虚拟世界深度融合，使经济模式和生产力发展产生质的飞跃。全球各个国家的竞争力也会随之重新洗牌，
中国同样处于百年未有之大变局和重大战略机遇期，正全力实施创新驱动发展战略。
我们每个人都身处“科技引领未来，创新改变世界”的伟大时代，挑战与机遇并存，压力与动力同在。

*总书记在党的十九大报告中代表党中央为我们规划了建设世界科技强国和实现社会主义现代化强国目标的蓝图，并提出了实现两个一百年的目标，他特别提出的“创新是引领发展的动力，是建设现代化经济体系的战略支撑”“科技是核心战斗力”等划时代论断，言犹在耳。我国积累了二十年的人才红利，至少可延续十年的人口红利，未来二十年仍有发达国家先进经验可供学习的后发优势，这些注定第四次工业革命是中国巨大的历史机遇。尤其

值得强调的是，我们在专用芯片领域与西方的差距已日益缩小，在通信芯片上甚至正在赶超。而云计算时代使Linux类开源云操作系统的地位日益提升，终将弱化Windows、安卓等个人操作系统的垄断。这一切都意味着我国在信息基础设施建设上并无明显劣势，而计算机与网络架构的自主创新更是实现“弯道超车”的必争之地，且有望彻底解决网络的可控与安全问题。

本书出版之时，正值“新基建”（新型基础设施建设）如火如荼开展之际。新型基础设施主要包括三方面内容：一是信息基础设施，包括以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施和以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等；二是融合基础设施，主要指深度应用互联网、大数据、人工智能等技术，支撑传统基础设施转型升级，进而形成的融合基础设施，比如智能交通基础设施、智慧能源基础设施等；三是创新基础设施，主要是指支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施，比如重大科技基础设施、科教基础设施、产业技术创新基础设施等。

中国向来将基础设施建设作为社会发展的重要支撑，相比传统基建，科技创新驱动、数字化、信息网络这三个要素是所有关于
“新基建”认知中的公约数，信息基础设施建设和融合应用将是中国下一步经济发展的主要路径。同时，“新基建”作为面向产业、面向国家竞争力的建设，必须在规划上适度超前，一方面激活现有产业链的内部需求，另一方面也为未来五年、十年的创新发展提供动力和场景供给。作为一项系统性工程，“新基建”不能一蹴而就，也非政府一己之力可以完成，需要汇聚各方智慧和力量，持续推进。通过科学规划，不断探索监管方式，深化体制机制改革，充分激活市场内生动力和创新活力，进而带动新型基础设施和传统基础设施融合升级发展，就一定能从更大范围、更深层次增强综合国力，为新一轮国际竞争积蓄新能量。
回顾整个信息产业的历史，本质上就是计算（或称算力）、存储和网络三大基础性资源不断发展且相互博弈的历史，创新始终是引领发展的动力。展望呼之欲出的人工智能新时代，我们坚信，整个信息和通信的理论和应用将被重新构造，关键信息基础设施关涉国家核心利益，重大科技创新突破成为核心竞争力，是国之重器、国之利器。
在这一伟大变革之际，我们既需要“创造性毁灭者”的远见和气魄，也需要“海纳百川，图大则缓”的胸怀和定力。赢得胜利的关键，在于在对全局融会贯通的基础上，扬弃既有体制的心态和技术，以划时代的理论指导划时代的实践！“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”，观历史潮流，浩浩汤汤，“数风流人物，还看今朝”，“天若有情天亦老，人间正道是沧桑”，“待到山花烂漫时”，我在丛中笑。
希望本书能抛砖引玉，在资源丰盛时代的新思维指引下，在创新驱动发展的变革大时代中，推动信息产业的自主技术创新和产业跨越升级，为中国现代化建设的伟大事业和中华民族的伟大复兴略尽绵薄之力。

2020年12月于北京

大致内容：本书涵盖了云端计算和储存、互联网和移动通信领域的许多热点话题，同时论述了信息领域三大主题，即计算机、互联网和移动通信的发展瓶颈和致命缺陷，提出颠覆性理论和发展观，创造性地提出了“新一代自主可控的非冯·诺依曼无限延展网络计算体系”和“网络空间供给侧技术创新变革”的理念原理和实践路径。系统梳理和分析了通信、计算和存储产业发展的来龙去脉，以及有关多媒体网络、网络兼容性和标准、网络商业模式、无线网络构架、CPU体系构架、数据库模型等领域的局限和误区。

沈寓实，博士，MBA，教授，特聘专家，自然科学研究员，北京市“海聚工程”特聘专家，中关村高端领军人才，人才计划评审专家，“中国改革开放海归40年100人”入选者。拥有中国清华大学电子工程学士学位，美国加州大学圣迭戈分校（Univ. of CA，San Diego）电子计算机硕士和博士学位，美国华盛顿大学（Univ. of WA）工商管理学硕士学位。

在ICT领域有20年以上的科研、研发和管理经验，网络空间战略专家，云计算、人工智能、网络安全、视频编解码和无线通信领域国际专家，跨国公司高管，国际华人和科技社团领袖，在中美政产学研各界均有深厚渊源，长期致力于推进网络空间基础核心技术的自主创新，并构建中美科技、商务和文化的广泛合作。

2006年加盟微软美国总部，曾任微软高级构架师、微软全球华人协会（CHIME）主席、微软亚洲人力资源总会主席、微软云计算中国区总监等职务；是微软印度多媒体支持中心创始人之一，微软创投加速器评委和专家导师，也是将微软公有云平台（Azure）和服务（Office 365）落地中国并完成微软云在华完整布局的重要成员之一。

2015年底加盟世纪互联，历任集团副总裁、（云）首席技术官、战略合作中心总经理、网络安全负责人、信息技术高级顾问、首席专家等职务；是世纪互联集团混合IT体系、