从大自然的发展规则看云计算

　　中国电子学会云计算专家委员会委员 赵文银
　　中国软件行业协会嵌入式系统分会秘书长 郭淳学

　　人类一直在思考一个问题，宇宙是什么?《易经》认为是阴、阳两种状态构成了宇宙，中国的古代先哲描述了宇宙的构造规则：无极生太极，太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦。老子说：道生一，一生二、二生三，三生万物。

　　基于互联网的云计算的出现，给了人们更多的想象：这个虚拟世界有多大?如何设计才是合理的?现实世界也属于云计算体系统吗?

　　李建会博士在《与真理为友》文章中提出：“自然之书是用算法语言写的”、“宇宙是一个巨大的计算系统”。我们可以认为，宇宙是一个云计算系统。采用传统计算方法，我们无法设计一个复杂的计算系统。事实上，到目前为止，我们仍然没有设计出复杂系统，比如全球气象模拟系统等。但是，云计算可以设计出任意复杂的系统。凡是符合逻辑的、可以用语言来描述的系统，通过云计算方法都是可以设计出来。

　　云计算和传统计算的最大区别在于云计算的云。云强调整体论，既成员之间的组织形式;而云计算的运算部分和传统的计算没有本质的差别。

　　云计算的两个典型特征：一是整体性，所有的成员是一个整体，它们按照一定的组织形式连接在一起;二是简单化，在当前云计算系统里，成员只是一个简单的输入输出，尽管这个成员可能是一个子云计算系统。

　　在进一步分析云计算之前，我们先了解两个概念，计算和算法。

　　从20世纪30年代开始，经过哥德尔、邱奇和图灵等人的研究，人类终于对计算的本质有了深入的理解，并创立了一门数学分支——递归论和可计算性理论。该理论认为，从一个已知的符号串开始，按照一定的规则改变符号串，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串，这种变换过程即所谓计算。简言之，计算就是符号串的有序变换。

　　算法是在有限步骤内求解某一问题所使用的一组定义明确的规则。通俗点说，就是计算机解题的过程。在这个过程中，无论是形成解题思路还是编写程序，都是在实施某种算法。前者是推理实现的算法，后者是操作实现的算法。

　　自然界是如何构成一个云计算系统的?“蝴蝶效应”很好的描述了云计算运行的过程：一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。蝴蝶是一个计算系统(云计算的成员)，轻拍翅膀——产生一个输出，导致空气系统(云计算成员)发生变化，并引起微弱气流的产生，相关连的云计算成员不断发生变化，终于导致德克萨斯州的一场龙卷风。

　　在这个例子中，成员之间是没有直接关系的，是独立的个体，但是它们通过某种形式连接在一起，形成了一个有机的整体。这些成员在运算时会遵循一个统一的标准，就是输出结果遵循同样的表现形式，一个成员的输出可以成为另外成员的输入。

　　人工生命理论的创立者兰顿认为，“生命的本质不在于具体的物质，而在物质的组织形式。生命并不像物质、能量、时间和空间那样，是宇宙的基本范畴，而是物质以特定的形式组织起来派生的范畴。这种组织原则完全可以用算法或程序表达出来。所以，只要能将物质按着正确的形式构建起来，那么这个新的系统就可以表现出生命。”

　　在这里，生命是一个云计算系统，物质是指云计算成员(比如应用程序、硬件和系统程序，或者子云计算系统等)，“正确的形式”是连接成员的输入、输出以及连接位置的结构。所以，当简单的成员在特定的位置按照输入输出形式不断地按照一定的规则循环运行，就构成了生命。

　　《易经》是最早一部把宇宙当成一个云计算系统的著作。首先，它明确的指出宇宙是由两个状态的组合变换而得到的，也指定了变换的规则。同时，也提供了构建这个云计算系统的方法论。这对我们建立互联网上的云计算系统具有重大的指导意义。按照这个观点，云计算的成员也可以是一个子云计算系统，其它的成员只关心这个“子云计算系统”的输出，而对其内部构成不关心。云计算系统通过结构决定成员的位置，位置的变化同样会导致结果的改变。

　　北京乾坤化物数字技术有限公司的发明专利《整数结构树的构建方法》和《一种用整数树管理易经中卦的方法》，描述了整数的生长过程，以及《易经》中采用阴爻和阳爻对整数树的描述方法。状态变换是计算的本质，整数树给出了宇宙计算的一种算法(或许有其它的算法)，《易经》在八卦体系里创建为现实服务的系统。

　　整体论是东方科学的核心所在，混沌理论应该属于东方科学的范围。采用云计算的模型，似乎就可以理解计算的不可解问题了。在最简单的云计算系统里，所有的计算都是简单而可计算的。但是，当它的上级云计算系统运行时，该子云计算系统是一个成员，只有它的输出是可关心的，因此该成员是简单的。该云计算同样是简单而可计算的。显然，对于一个复杂的云计算系统(比如5层体系)来说，其得到的结果是不能只采用一个计算方法来获得。也就是说在西方科学体系里，它是不确定的，但是在东方科学体系里，它是确定的。

　　随着云计算技术的快速发展，人们对计算的观念也会发生改变。宇宙是一个基于计算的运行系统，人脑是一个复杂的云计算系统。

　　事实上图灵在研究人工智能时，就把人的大脑看作是一台离散态机器，大脑与电子计算机在本质上并没有什么不同。并在1950年发表的一篇论文中，详细地论证了心灵的计算本质，并批驳了反对机器能够思维的多种可能的意见。在图灵的影响下，麦卡锡、明斯基、西蒙和纽厄尔等人开创了人工智能这门新学科。

　　在图灵提出人脑是一台离散态计算机思想的同时，计算机科学的另一个开创者冯?诺伊曼则开始从计算的视角思考生命的本质。冯?诺伊曼设想了一架巨大的细胞自动机，它遵循着一定的运行规则。冯诺伊曼证明，如果自我繁殖是生命的本质特征，那么这个特征完全可以由细胞自动机获得。冯诺伊曼之后，康韦又证明，特定配置的细胞自动机与图灵机完全等价。

　　云计算的出现将会引发计算技术的革命，在西方科学(还原论)体系下不可计算的复杂性问题，在东方科学(整体论)的引领下，将会得到完美的解答。