前言

計算機在人類日常生活的各個方面已經并將繼續發揮廣泛而深刻的作用。當前人工智能、大數據、高性能計算等方興未艾，出現了一些基本的重要問題，引起了專業及非專業人士的廣泛興趣，比如：什么是智能？什么是計算？什么是計算機？什么樣的問題是可計算的？什么樣的問題是不可計算的？為什么需要計算機？計算機是怎樣設計的？什么是云計算中的虛擬化技術？什么是標簽化體系結構？什么是開源芯片？什么是異構計算？每一個問題毋庸置疑都很重要，但想要真正弄清楚每個問題并不容易，把所有這些問題聯系起來、融會貫通更不容易。為了取得實質性的科技創新突破，需要更多的人能真正徹底地搞明白這些問題，而不是僅停留在表面化的理解上。

本書選擇的14篇文章是計算機系統方向的經典文獻，在計算機科學的發展史上具有奠基性的重要意義，具有極高的原創性，在某種意義上和某些歷史階段代表當時的智慧之巔，是人類智能水平的標志。其中，第1、2篇（《計算機器與智能》《論可計算數及其在判定性問題中的應用》）是艾倫·圖靈的作品，第3、4篇（《關于EDVAC的報告初稿》《計算機與人腦》）是約翰·馮·諾依曼的作品，第5、6篇（《論以單處理器的方式實現大規模計算能力的有效性》《多高速緩存系統中一致性問題的一個新解決方案》）是關于并行計算（Parallel Computing）的源頭文獻，第7篇是關于現在云計算需要的虛擬化（Virtualization）技術的開創性文獻，第8篇是關于摩爾定律（Moore's Law）的文獻，第9篇是關于精簡指令集計算機（RSIC）的源頭文獻，第10篇是提出存儲墻（Memory Wall）問題的文獻，第11篇是較早論述數據流（Data Flow）體系結構的文獻，第12篇是論述RAID結構的文獻，第13、14篇是在不同的時間論述當時看來微處理器（Microprocessor）會有怎樣的發展趨勢的文獻。

可以設想，如果沒有這些文章中的某一篇對應的理論或技術（除去第13、14篇的綜述預見性文章），計算機系統的面貌將可能會發生缺憾性甚至顛覆性的變化，現有的體系將可能會不完整甚至局部坍塌。如果沒有存儲程序的思想，沒有關于“運算器-存儲器-控制器-輸入設備-輸出設備”的組成和結構設計，沒有并行計算，沒有摩爾定律，沒有虛擬化，沒有艾倫·圖靈對智能機器的信心，沒有精簡指令集計算機，沒有關于存儲墻問題的研究，這些情形只要發生一個，計算機科學還會是現在的面貌嗎？

上述文章在計算機學術界具有極高的知名度，聽聞其名的人很多，但讀過并讀懂其中一篇全文的人不多，讀過并讀懂全部14篇全文，并對比、分析、綜合，然后形成整體觀的人就更寥寥無幾了。本書的一大特色就是融會貫通，充分挖掘和發現這14篇文章之間的聯系，這種聯系對我們準確、深入理解事物的完整面貌是重要的，甚至是必需的。從這個意義上來說，本書是一篇大文章，跨越了75年（從1936年到2011年）撰寫的14篇文章是這篇大文章的組成章節，我們和這14篇文章的作者懷著揭示計算機科學真理、建設更美好世界（為人類設計更快、更自動化乃至更智能的計算機器）的夢想，分別貢獻自己的智慧，共同譜寫了這既客觀具體又宏偉壯麗的詩篇。

縱觀全書的14篇文章，幾乎篇篇都有預見性，例如第1章中艾倫·圖靈對能否制造出能思考的機器做出預見（論證），第2章中艾倫·圖靈對不可計算問題做出預見（形式化證明），第3章中約翰·馮·諾依曼對存儲程序式計算機做出預見（設計），第4章中約翰·馮·諾依曼對計算機與人腦的異同做出預見（比較），第5章中吉恩·M.阿姆達爾對單處理器達到較高的計算性能做出預見（分析），第6章對多處理器的高速緩存一致性問題的解決方案做出預見（分析與設計），第7章對第三代計算機體系結構的可虛擬化條件做出預見（形式化證明），第8章對電路的集成度的發展趨勢做出預見（分析），第9章對精簡指令集計算機的發展前景做出預見（論證），第10章對存儲墻問題即將到來做出預見（分析），第11章對數據流體系結構的可行性和前景做出預見（設計和論證），第12章對廉價磁盤冗余陣列的可行性和前景做出預見（設計），第13、14章分別在1996年和2011年對微處理器的未來做出預見（分析和預測）。“在客觀全面地回顧歷史的基礎上對未來做出精準的預見”是這些文章的共同特征。

本書的出發點是希望做“發揚光大”的工作。什么是“發揚光大”？《周易·坤》：坤厚載物，德合無疆；含弘光大，品物咸亨。宋代黃榦在《黃勉齋文集·劉正之遂初堂記》中說：備前人之美發揮而光大之。我們可以設想，14篇文章的作者艾倫·圖靈、約翰·馮·諾依曼等如果看到本書，會有驚喜的反應：“啊，我很久之前寫的那篇文章你還在研究，感謝你的理解、認可。”或者可能是：“我生有涯，感謝你替我在科技發展日新月異的背景下（縱向）重新評估我的論文，而且能夠（橫向）相互聯系，相互佐證，有很多新的認識。這是對我的工作的繼承、整理、提高，也就是你們中國典籍中說的‘發揚光大’，完成了我未竟的心愿，感謝你們這些來自中國的志同道合的研究者。”

水有源，故其流不窮；木有根，故其生不窮。計算機科學當前正處于一個極為關鍵的階段，人工智能、大數據、云計算、計算機體系結構都在蓬勃發展，但相對以往都更加需要在基礎理論上取得突破。但是基礎理論研究談何容易！從哪里尋找突破口，是首先要解決的問題。計算機的文獻浩如煙海，完全掌握幾乎不可能。回歸原始文獻，追溯本源，有助于尋找基礎研究的突破口，這是本書的重要立意。在本書中，我們將會了解計算機工程之父約翰·馮·諾依曼、計算機科學之父艾倫·圖靈、控制論之父維納、集合論之父康托爾、模糊集合論之父扎德、進化論之父達爾文、精簡指令集計算機和廉價冗余磁盤陣列之父帕特森等的思想，為我們進行從0到1的基礎研究提供借鑒。

人類的時間、注意力、耐心均是稀缺資源。我們希望幫助讀者解決時間、注意力、耐心有限與計算機科學文獻數量龐大之間的矛盾。“與其傷其十指，不如斷其一指。”根據基礎性、代表性、影響力、權威性、不可替代性的標準，我們精心選擇了14篇（僅僅14篇）文章，希望把這些文章解析透徹，把重要的概念和方法考察和梳理好，為當前的基礎研究提供底層支撐，為其中的思考演繹提供素材和原料，本書希望構建計算機基礎研究的“最小根據地”。

在國際競爭日益加劇的背景下，我國的發展將步入深水區，更加需要注重質量，需要啃很多硬骨頭，所有這一切都依賴于科技的支撐。本書是國內第一本此類著作：第一次把計算機科學的源頭文獻精心選擇并集中起來，用中文翻譯并逐段解析，每篇有整體解析，篇篇之間有呼應和聯系。科學是無國界的，但科學家是有祖國的。本書就是要服務于我國的計算機科學事業，服務于中華民族的偉大復興事業，讓中國人為人類計算機科學的發展做出更大貢獻，為解決“卡脖子”問題略盡綿薄之力。

理解歷史的目的，在于籌劃未來。歷史不只是一連串的單純事實。理解歷史，意味著需要在過去中尋求必然性、把握規律性，以便面向未來富于創造性。未來是還未出現的狀況，充滿機遇和挑戰。要使得未來成為思想的對象，前提是先將過去轉化為思想，使思想滲入歷史性的事實之中，將過去與未來在思想的意義上貫通起來。本書采取文本細讀和考證考據的辦法，預期的目的是起到以下作用：

（1）糾正忽視哲學的傾向。哲學本身是極為重要的學科，來源于實際又高于實際，教好哲學不容易，學好哲學也不容易。有一位讀計算機科學的學生在讀研面試時，聲稱自己“熱愛哲學”，有不少導師心里想：“這樣的學生思想該不會有點問題吧？”“這樣的學生會不會好高騖遠？”這反映出工科教育中某種程度上存在著忽視哲學的傾向。當前，能將哲學用于所學專業，對計算機科學來說是急需的。沒有哲學的指導，計算機系統的核心理論和結構設計問題等是難以被深入研究的。艾倫·圖靈在《計算機器與智能》中一共批駁了9種對立的觀點，其中第一種觀點就是神學的觀點，沒有哲學思維，就很難有艾倫·圖靈那樣的創造力。

（2）糾正偏重工程的傾向。當代計算機體系結構領域的知名科學家奧努爾·穆特魯（Onur Mutlu）指出中國的計算機體系結構研究一度過于偏重工程，現在已經有所好轉。艾倫·圖靈是一位既可以實際制造機器，又可以進行深刻理論研究的人，能同時做到這兩點的人是鳳毛麟角。錢學森、李政道都曾經因為理論較強、實驗較弱受過老師的批評。李政道在人民大會堂的一次演講中說，他的導師費米是一位理論和實驗均強的科學家。我們要重視現實實驗，也要重視思維實驗。艾倫·圖靈的具有無限存儲容量的“圖靈機”就是思維實驗的結果，也只有思維實驗才能完成，正因為如此，才展現出人類極高的智能水平。有些問題是計算機解決不了的，即使這臺計算機具有無限的存儲容量，允許運行無限長的時間，也無濟于事。

（3）糾正只注重單一學科的傾向。《計算機器與智能》全文內容豐富，涉及神學、物理、化學、生物、醫學、信息論、數理邏輯等多個學科，但緊扣“機器是否能夠思考”這一主題。在軍事領域，多軍種或多兵種的立體聯合作戰或合同作戰是一種有效的作戰形式，因為在有限的空間、有限的時間內實現了高并發的火力集中。對智能這一目標，多學科融合協同可形成學科群的整體認識能力，以獲得單一學科難以獲得的認識成果。

（4）糾正不注重繼承的傾向。創新本質是相對基礎而言的增量。一些人因為不了解基礎，而認為自己做的一定就是創新。為了避免重復的淺嘗輒止的研究，就需要注重繼承。計算機科學技術的創新不是線性直線上升的，某種技術的變化會導致某些思想過時，另一種技術的變化可能將那些“過時”的思想復活。本書對原始文獻進行考證，把概念的內涵和外延考證清楚。我們希望本書能引領更多的同人一起開辟“計算考據學”這個方向。考據學是一種治學方法，包括對古籍加以整理、校勘、注疏、輯佚等。對于考據學，梁啟超在《清代學術概論》中提到：其治學之根本方法，在“實事求是”“無證不信”。把我國古代知識分子擅長的考據學用于計算機科學的研究，是一種新穎的研究思路，本書就是對這一思路的嘗試。

（5）糾正“盲人摸象”的傾向。智能的一個重要特征是整體性。中國近現代出現過一些像陳寅恪、胡適、季羨林、任繼愈這樣的國學大師。很多人希望在科學技術領域也能有這樣的大師，這是錢學森晚年十分關心的問題。國內現在進行“雙一流”建設，有各種領軍人才的培養計劃，也是為了實現這個愿望。計算機是一個復雜系統，涉及從科學到工程和從軟件到硬件的多個層次和多個方面，全部掌握這些何其難啊！計算機科學的研究資料包括期刊論文、會議論文、技術報告等，本身是大數據。本書采用“精心抽樣”（不是“隨機抽樣”）的辦法，選擇十余篇重要的、經典的、具有代表性的文獻，每一篇分別論述不同的問題，但篇與篇之間存在著千絲萬縷的聯系，它們構成一個緊密的整體，其中的概念是讀者進一步邏輯演繹的原料，其中的方法是讀者進一步研究探索的參考，這樣以極簡的材料幫助讀者建立一個相對全面的學科知識圖景。

（6）糾正“葉公好龍”的傾向。當前追逐輿論的流行熱點、追求短平快、急于出成果的研究者在一定程度上是存在的。費力的、基礎性的問題需要得到更多的重視。中國工程院院士孫凝暉提出“重型科研”的倡議，其核心就是以更大的決心和力量在計算機科學的基礎理論和基礎技術上取得突破。看看艾倫·圖靈的論文，篇幅很大，但內容極其深刻；約翰·馮·諾依曼的論文涉及大量工程細節，但深入之后還能淺出，思考量之大、原創性之大、工程量之大，都是我們需要學習的。我們現在就是要啃硬骨頭，要拿下“上甘嶺”。

對于“能否設計出能思考的機器”這個問題，在本書第1章中艾倫·圖靈給出了肯定的斷言。對于“計算機能否求解所有問題？”這個問題，在本書第2章中艾倫·圖靈給出了否定的斷言。需要指出，自20世紀50年代以來的70多年中，人造計算機在計算能力、記憶（存儲）能力、通信（互連）能力上取得了多個數量級的進步，在編程上也有了很大的進步，但還沒有設計出與人類一樣能思考的機器。我們還有多大的差距？通過怎樣的路徑跨越這些差距？能否發展出可解釋性人工智能？目前的數據科學對相關關系的研究取得了較大的進展，但在因果關系方面進展較少，如何突破？等等。這些無疑都是具有重大意義的基礎理論問題，要解決這些問題，或者在這些問題上取得一些突破，現在計算機系統的研究范式可能需要革新，需要充分發揮哲學的作用。現在計算機系統的研究范式需要做哪些革新？這里拋磚引玉，提出三點倡議：

第一，我們需要解放思想，培養具有多面手（Multi-facet）才能和原始創新能力的領軍人才。我們要在堅持問題導向、實事求是的原則下，鼓勵研究者學哲學、用哲學，打破習慣勢力和主觀偏見的束縛，打破思維的桎梏，大膽進行原始創新。我看到國內有人提出目前沒有必要研究強人工智能。對此目前我們不能說對或錯，但需要指出，圖靈獎得主曼紐爾·布魯姆（Manuel Blum）在2019年提出了意識圖靈機（Conscious Turing Machine），而我們國內這方面的研究目前很少。時不我待，我們一定要抓住機遇，富有建設性地推進人工智能的研究。需要培養和造就一批“頂天立地”的計算機系統的研究人才，這樣的研究人才具有較高的哲學思維能力，是思想家，能領悟、運用和創造思想，還具有得心應手的設計能力，是科學家、架構師和工程師，能發明、實現和創造系統。

第二，我們需要重視思想，重視思想性創新。我們的計算機系統學科一般強調設計出具體可見的實物或可運行的系統，而沒有充分重視思想或觀念。思想或觀念是不可見的，是潛在的，往往因此被忽視。一種思想或觀念被提出之后，有的立即被重視并展現威力，如存儲程序的思想；有的沒有立即展現出巨大的威力、價值或影響力，但在條件或時機成熟的時候，往往展現出令人震撼的力量，如數據流體系結構、深度學習。本書的很多章節都涉及重要的思想，當然也有具體的設計，我們當然要看到設計在可落地實現方面的用途，也要看到思想在前瞻性、一般性、持久性方面的優勢。

第三，我們需要梳理總結歷史，淡化學科意識，強化問題導向，聚焦重大科學問題。之所以梳理總結歷史，是為了解決有挑戰性且有重大意義的科學問題。例如，智能或意識的本質是什么？智能或意識與物理載體的關系是什么？對這些問題，哲學上存在很多不同的但都非常深刻的觀點，比如物理主義，由奧地利哲學家奧托·紐拉特（Otto Neurath）和魯道夫·卡爾納普（Rudoff Carnap）在20世紀30年代引進哲學，它的基本論點是“所有事物都是物理的”，或者說“一切都在物理之上”。它有各種版本：例如將意識視作人體的功能，或將意識類比為計算機的軟件；還有涌現論，認為一些特定的物質結構復雜到一定程度會自然誕生意識；以及否定意識存在的取消論物理主義。這些觀點都值得計算機科學領域的研究者了解參考。在計算機系統領域，圖靈的一個基本觀點是“通過編程的辦法讓機器（具體來說就是數字計算機）像嬰孩那樣不斷地學習，是完全能夠讓機器可以思考的，或者說讓機器通過圖靈測試的”（見本書第1章）。本書的全部14章實際上都與物理主義有關，約翰·馮·諾依曼的存儲程序結構、大衛·帕特森的精簡指令集計算機、沃爾夫的存儲墻問題等都是在討論智能或意識所賴以存在的物理載體，甚至圖靈的可計算性理論也與物理主義有關，機器的記憶或存儲（Memory）是有限的，這也是為什么他要著重區分循環機器和非循環機器。

本書的編著者對自己的定位是學習者、思考者、研究者、實踐者、傳播者，我們閱讀的專業文獻有數千篇，其中精讀的有300篇以上，同時讀過比較經典的多部專業著作和比較著名的多部科普著作。

本書的編著者讀過的且對撰寫本書有所幫助的比較經典的專業著作有約翰·馮·諾依曼和摩根斯坦的《博弈論與經濟行為》、圖靈獎得主阿霍、霍普克羅夫特和烏爾曼的《數據結構與算法》、圖靈獎得主沃思的《算法+數據結構=程序》、圖靈獎得主亨尼斯和帕特森的《計算機體系結構：量化研究方法》（從第3版到第6版）、原南加州大學黃鎧教授的《計算機結構與并行處理》、數學家華羅庚（1955年當選中國科學院學部委員，中國現代數學之父）的《高等數學引論》、諾貝爾物理學獎得主費曼的《費曼物理學講義》、戴維斯的《可計算性與不可解性》、維特根斯坦的《數學基礎研究》、南京大學莫紹揆教授的《可計算性理論》、中國科學院心理研究所潘菽（1955年當選中國科學院學部委員，中國現代心理學奠基人之一）的《中國古代心理學思想》，等等。這些專業著作“講高度”，受眾主要限于專業內部，實際的讀者相對少一些，但將相關專業研究推到一個極高的高度上。

本書的編著者讀過的且對撰寫本書有所幫助的比較著名的科普著作有伽莫夫的《從一到無窮大》、烏鎮智庫理事長尼克的《人工智能簡史》、美國經濟學家曼昆的《經濟學原理》、中國經濟學研究者薛兆豐的《薛兆豐經濟學講義》、諾貝爾物理學獎得主薛定諤的《生命是什么》、南京大學周三多教授的《管理學——原理與方法》等。這些科普著作“講面積”，受眾不限于某個專業，發行量很大，具有極大的普及、推廣和傳播效應。

本書包括翻譯和解析兩個部分，譯文采用宋體，解析采用仿宋體。大部分文章還沒有看到中文譯文。在本書撰寫之前，我們只看到關于《計算機器與智能》《論可計算數及其在判定性問題中的應用》《計算機與人腦》的中文譯文，發現有不少理解上的錯誤和表達上的瑕疵，因此我們沒有采取拿來主義的辦法，而是適當參考，然后從零開始，仔細推敲，按照“信、達、雅”的標準，力求嚴謹、準確、精當、通順。

準確完整地理解原著，是一項非常不容易的工作。不僅僅是語言的問題，還有技術的問題，需要極高的語言功底、技術功底，還需要嚴謹的態度。我們在研究中堅持“會、批、判”的辦法，“會”就是“站在作者的立場，領會作者的本意”，“批”就是“站在作者的對立面，質疑作者的本意”，“判”就是“站在客觀中立的立場，給出科學的判斷”。有點令人意外的是，我們在解析過程中發現了一些原文的錯誤。這些錯誤可能是原文作者的筆誤，也可能是編輯的打印錯誤，無論如何，指出這些錯誤對于正確理解原文是非常必要的。

本書選題獨特，原始素材及其分析綜合均具有寶貴價值，有廣泛的讀者適用群體。一方面，具有專業性，可以作為計算機科學專業大學生和研究生的教學、教輔讀物，特別是文獻綜述類課程的教材。另一方面，具有科普性，可以供非計算機專業的大學生、研究生、信息技術在職研究人員和工程師參考使用，以培養興趣，擴大知識面和學術視野。我們預期并希望讀者閱讀本書之后對計算機科學的理解能夠煥然一新，對計算機系統有更濃厚的研究興趣，有更為端正的態度避免陷入各種不良的傾向，有更清晰準確的概念作為自己思考演繹的原料，有更具體的方法作為自己研究路徑的參照。

本書的撰寫得到眾多老師和業界同人、學生的鼓勵和支持。祝明發教授給予本書的編著者劉宇航以嚴格的學術訓練、啟發、鼓勵和指導，中國科學院計算技術研究所和處理器芯片全國重點實驗室提供了優越的軟硬件環境，陳明宇、詹劍鋒等多位老師給予了支持，學生周嘉鵬參與了第11、12章的校閱。在此向以上人士表示衷心的感謝！本書的編著得到了國家自然科學基金面上項目“高并發數據訪問的基礎理論與系統設計”（批準號：61772497）、國家自然科學基金重大項目“處理器芯片敏捷設計方法與關鍵技術”（批準號：62090020）、國家自然科學基金專項項目“信息與電子領域工程科技未來20年發展戰略”（批準號：L2124012）、中國科學院戰略研究與決策支持系統建設專項（批準號：GHJ-ZLZX-2021-06）的資助。盡管作者力求嚴謹細致，但限于篇幅和水平，本書可能存在錯誤和遺漏，歡迎讀者指正。