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西行逐夢，走進一線——兼談對兩個專業發展的認識

生活百科科技

張聚恩/文
（一）學習調研考察行小記
3月26日出京，奔赴古都西安和航空圣城閻良 。參加中國航空學會和《航空學報》《航空知識》兩刊編輯部共同組織的“科技創新與科學普及雙翼齊飛——走進航空科研生產一線”專題學習調研考察交流團 。前半程，學會組織部周競賽部長和北航出版社俞敏副社長帶隊，后半程，學會新任秘書長姚俊臣自上海赴西安 ， 親率此次活動 。
中國航空學會（CSAA）是中國航空界唯一的全國性、學術性、非營利性法人社會團體，是全中國航空科技工作者之家 ?！逗娇罩R》《航空學報》是中國航空學會主辦的兩份刊物 ?！逗娇罩R》創刊于1958年；60年來 ， 這本科普雜志啟蒙和激勵了一代代在科學道路和航空領域奮進的人們，形成了巨大的社會影響 ?！逗娇諏W報》有中英文兩種版本（英文版名為《of》） ， 中文版創刊于1965年，英文版創刊于1988年 ， 已分別走過53年和30年發展歷程，現都成為在國內外具有重要影響、我國同類刊物中聲望最高的學術刊物 。
為了做好新時代的學會工作，把航空刊物辦得更好，我們需要了解火熱的科研生產實踐，需要從一線科技工作者那里學習知識、汲取營養 。我雖已在航空戰線奮斗了半個世紀 ， 但仍需繼續學習 。而學會和期刊社的同人更是使命使然，渴望走進科研院所與工廠，以彌補工程知識與實際經驗之不足；其情殷殷 ， 其愿切切 。
從27日到31日，五天里，我們先后走進航空工業計算所（631所）、中國航發西航公司（430廠）、航空工業強度所（623所）、中國試飛院（亦稱630所）和航空工業第一飛機研究設計院（亦稱603所）等五個單位 。承蒙熱情接待，所見所聞，深受教育和鼓舞——為航空工業的新成就而感奮，為航空科技的新進步而自豪；感觸多多 ， 收獲滿滿 。
【西行逐夢，走進一線——兼談對兩個專業發展的認識】我們也為這些單位送去了數場科技交流與專題講座 。《航空知識》主編王亞男和《航空學報》《CJA》編輯室主任蔡斐老師分別作“航空的另一副面孔”、和“如何向科技期刊成功投稿——從編輯的視角”的報告，內容緊貼實際，視角獨特，受到熱烈歡迎；我也做了“關于顛覆性技術與航空創新發展”的講座 。期間，我們還同五個單位分別討論了加強合作、開辟前路的多種方式與具體工作任務 。
自上而下依次為：在631所、430廠、623所、試飛院和一飛院
試飛院贈送給我們的珍貴禮品：四位試飛英雄——王昂、滑俊、黃炳新、李中華親筆簽名的飛行員頭盔
王亞男主編作《航空的另一副面孔》報告
蔡斐老師的報告《如何向科技期刊成功投稿——從編輯的視角》
此次活動收到了很好的效果 。我們直擊一線，在五個廠所 ， 親眼目睹航空科技與產品的最新發展與進步，親身感受航空人報國圖強、大干快上的精神風貌 。親撫戰機，走進“大運”機體內 ， 為其震驚，大呼過癮 ?！白沸亲濉眰兣c大運總設計師唐長紅院士親密攀談，留下一張張珍貴的合影 。
自左至右：劉德生社長、姚俊臣秘書長、唐長紅院士和段卓毅總師
在631所，面對超高集成度的處理機和電子模板，領悟了“金塊銀塊不如電子模塊”的真諦，理解了J20等先進裝備內里的高科技含量 。在430廠 ， 高效柔性的發動機關鍵件智能生產線 ， 讓人大開眼界，昭示著中國航空動力即將獲得新突破的光明未來 。在623所，宏偉壯觀的十數座實驗室里 ， 同時展開的多型整機與部件強度試驗 ， 使我們深感震撼 。在一飛院，研制大型軍民機的既往成就，令人熱血沸騰 ， 而對更新一代裝備的研制部署和起步，更讓人充滿期待 。在試飛院寬闊的機場和跑道上，數十型先進新機，此升彼降，科研試飛和鑒定試飛的節奏從未像今天這樣密集 。
學會和期刊同仁將永記這次難忘的逐夢行 。
我們還會再來的 ， 我們還將走進更多的廠所 。
火熱的科研生產一線是創新熱浪奔涌的主戰?。?是我們學習和獲取知識的大課堂，也是學會做好服務工作、編輯部辦好刊物的靈感與激情的不竭源泉 。
（二）關于計算機發展
按照學習交流活動的安排，也應幾個廠所的要求 ， 我做了《關于顛覆性技術與航空創新發展》的講座 。為滿足不同單位的個性化需要，我分別就不同專業發展的現狀與方向，匯報了自己的學習心得 。在這篇微文里，把對計算機和強度技術發展的粗淺認識整理發布 ， 希望得到批評指正 。其中個別問題、如量子計算和量子計算機 ， 太過深奧 ， 純為初學 。拋磚引玉，希望引發大家的興趣與探究 。
（1）人類自1946年發明計算機，已經歷四代
第一代為電子管計算機（1946-1957），采用電子管元件作基本器件，用光屏管或汞延時電路作存儲器，輸入輸出采用穿孔卡片或紙帶；使用機器語言或匯編語言編寫應用程序 。
第二代為晶體管計算機（1958-1964），由晶體管代替電子管作為計算機基礎器件，用磁芯或磁鼓作存儲器；使用如、Cobol、等高級語言 。
第三代為中小規模集成電路計算機（1965-1971），中小規模集成電路為基礎器件 ， 主存儲器采用半導體存儲器；有了標準化的程序設計語言和人機會話式的Basic語言 。
第四代為大規模和超大規模集成電路計算機（1971-2014），大規模集成電路成為基礎器件，大容量半導體存儲器為內存儲器，發展了并行技術和多機系統，出現了精簡指令集計算機（RISC），軟件系統工程化、理論化 ， 程序設計自動化 。
（2）我心中的第五代計算機
第五代計算機應是具有人工智能的新一代計算機，應具有推理、聯想、判斷、決策、學習等功能 。目前正在發展進程中 。
第五代計算機將把人從重復、枯燥的信息處理中解脫出來，從而改變我們的工作、生活和學習方式，給人類社會拓展更大的發展空間 。
第五代計算機的發展路徑已經開啟 。能夠模擬人腦神經元、突觸功能以及其他腦功能的微芯片，已研制成功 。
傳統的計算機語言和分析思考，而神經突觸核心能夠感知和識別形狀 ， 形成新的“整體計算智能” 。
新一代計算機將在模式識別、語言處理、句式分析和語義分析的綜合處理能力上獲得重大突破 。應能識別孤立單詞、連續單詞、連續語言和特定或非特定對象的自然語言(包括口語)；鍵盤和鼠標的時代將告結束 。
在第五代計算機的支撐下 ， 現代社會中的計算機、網絡、通信將三位一體化 。
（3）我心中的第六代計算機
第六代計算機應該是基于生物計算的神經元計算機 ， 或稱生物計算機，擁有類腦的智慧和靈活性，具有體積小、運算速度快、存儲容量大、低阻抗、低能耗等優點 。
根據生物分子材料對信息的傳輸、處理、存儲機理而設計的生物計算機，是計算機世界最年輕的分支與前沿，有可能成為21世紀人類的偉大科技工程之一 。
以往的信息處理系統只能處理條理清晰、脈絡分明的數據，而人的大腦活動具有能處理零碎、含糊不清信息的靈活性 。
與以邏輯處理為主的第五代計算機不同，第六代計算機可以判斷對象的性質與狀態 ， 能采取相應的行動 ， 可同時并行處理實時變化的大量數據 。
其基礎器件是生物芯片——以借助生物工程技術生產的蛋白質分子為材料 ， 所生產的生物集成電路 。由蛋白質構成的集成電路，其大小只相當于同樣功能硅片集成電路的十萬分之一，其運行速度達10的-11次方秒，可超過人腦的思維速度 。
在生物芯片中，信息以波的形式傳遞 。當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈的鍵結構順序改變 。采用生物芯片代替硅芯片 ， 可利用生物細胞間的互相聯系 ， 構建人工智能（而不像硅芯片計算機那樣只能建立程序規定的任務能力） 。
生物芯片尚在研制中，但生物傳感器已獲重大突破 。其主要研究方向：一是研制分子計算機 ， 制造有機分子元件以取代半導體器件；二是研究人腦結構與思維規律，構建生物計算機架構 。
（4）關于微系統、超導計算機和光計算機
微系統——以微電子技術、射頻和無線電技術、光學和光電子學技術、微機電技術等為主，以微納米量級的設計／制造技術為基?。??ㄎ⒋?釁鰲⑽⒆鞫?鰲⑽⒋?砥鰨?刂啤⑿畔⒌齲?⑽⑿⌒推骷??爸玫茸槌傻南低郴蜃酆舷低?；该类系蛙嚹臭溨和应?nbsp;， 對于嵌入式計算機的物理形態可能產生重大影響 。
超導計算機——基于超導效應的計算機，其典型特征是能耗極低 。理論計算，超導計算機的耗電僅為半導體器件計算機的幾千分之一，它執行一條指令只需十億分之一秒，比半導體元件快數十倍 。
光計算機——利用光信號表示信息，使用光學器件完成對光信號的操作，以致計算全過程，稱光計算機 。其特征為采用光強度、頻率、偏振等特性表示信息，以透鏡、面鏡、光學薄膜、晶體或光纖等光學器件為基礎器件 。光信號區別于電信號的特質是：多束光在傳播中發生路徑重疊或交叉時互不干擾，傳輸損耗低，傳輸帶寬高；較磁介質 ， 光學材料質量輕 ， 成本低，易實現高密度信息存儲 。光計算的核心問題是，光學邏輯的實現，即實現光對光的控制 。大規模集成全光器件在研制中，工程應用還需漫長路程 。
（5）關于量子計算和量子計算機

西行逐夢，走進一線——兼談對兩個專業發展的認識

文章插圖
西行逐夢，走進一線——兼談對兩個專業發展的認識

文章插圖
量子力學證明，個體光子通常不相互作用，但當它們與光學諧腔內的原子聚在一起時，相互間會產生強烈影響 。
光子的這種特性可用來發展量子力學效應的信息處理器件—光學量子邏輯門，進而制造量子計算機 。
二進制比特有兩種狀態：“0”和“1”，而量子比特（qubit）可同時存在兩種可能的狀態，即“疊加態” 。
“疊加”極大地增加可進行信息編碼的態的數量 ， “糾纏”則允許多運算平行進行；但必須確保所有的量子比特處于相干態中 。
傳統計算機的運算能力隨比特位增加呈線性增長 ， 而量子計算機的運算能力隨量子比特位的增加呈指數增長 。
IBM和英特爾公司分別宣稱他們建造了具有50和49量子比特位的量子計算機 。（2^10 = 1024，2^50 = 1.26 × 10的15次方）
2017年10月9日我和四位同事，赴上海，學習考察中科院潘建偉院士團隊，受到潘院士的熱情接待 。涉及量子通信等的內容，另文介紹 。但關于量子計算方面，我們得知該團隊目前水平在10量子比特位 ， 正向12量子比特位進軍 。
在量子計算真正實現其巨大潛力前 ， 需要克服許多基礎性難題 。諸如確保量子比特處于“相干態”、抑制噪聲干擾和解決量子編碼糾錯等 。
基本判斷：量子計算和量子計算機的工程實用還有極遠距離 ， 我國未處于該領域世界領先地位 。航空科技界需密切其進展，但尚不具有獨立或參與自主研制的內在需求與條件 。
（6）關于嵌入式計算機系統
機載／彈載計算機神經網絡在應用科學和工程中的應用：從基本原理到復雜的模式識別，即航空器／航空武器用計算機，多為嵌入式計算機系統（），指計算機的軟硬件均嵌入相應應用系統，融為一體，不可分割 。
在現代航空器上，嵌入式計算機數量居多，使用環境嚴苛，對體積、重量、功耗等物理指標及安全性要求高 。
嵌入式計算機本質上是”專用”計算機 ， 是針對某個特定的應用而設計制造的 。以嵌入式計算機為基礎、且軟硬件可裁剪的應用系統，就成為嵌入式系統 。
嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四部分組成 。
631所由原中科院西北計算所沿革而來，在傳統而扎實的計算技術基礎上，構建了獨有的嵌入式計算機系統的研發與生產能力，已走出了屬于自己、但又是大系統所需要的發展道路 。
依托設在631所的航空專用集成電路重點實驗室，已開發出一批急需的航空專用芯片 。631所的科技人員埋頭耕耘，自主研發出具有獨立知識產權的“嵌入式操作系統”，發展出通用實時類和綜合化支持類兩款操作系統和與之配套的開發環境 。這是一項填補空白的重要成果，已獲國家定型 ， 并用于多型航空裝備，正向航天、兵器、軌道交通、工業控制等領域推廣應用 。意義重大，可喜可賀！
沿著自己的道路，堅定前行，進一步解決航空計算機系統的自主配套問題，確保航空裝備的健康發展 ， 是我們的神圣使命 。
由此說開去，以戰略定力和國家意志，持續解決國產計算機及電子信息系統“缺心少魂”（“心”指以高端芯片為主的基礎元器件，“魂”指以操作系統為基礎的軟件）問題 ， 時不我待 。正確路徑：先解決有無問題，即使性能稍差；進而提升性能，步入世界先進水平 。
（三）關于強度專業發展
在談到關于飛機強度專業發展的認知問題時，我必須說，我的新知幾乎都源自年輕睿智的623所所長王彬文 。
2017年11月4日，在由中國航空研究院、中國航空學會、中國力學學會聯合主辦，623所承辦的“第五屆中國航空強度技術發展高峰論壇”上 ， 舉行了《飛機強度技術叢書》首批專著發布式 。王彬文所長在儀式上發表了一篇哲思深邃、文采飛揚的講話，對強度專業的屬性、內涵和發展方向作了創新性的闡釋 。
王彬文所長
我細細研讀，他的主要觀點我都贊同，諸如大強度、新強度、數字強度概念的提出，對強度專業領域與內涵的擴展定義，強度專業發展中的多學科綜合與優化問題，強度所的新使命等等，而他那溢于言表的哲思與文采，也令我佩服有加 。大家可以點擊文末的“閱讀原文”，鏈接到王彬文所長這篇精彩講話 。我的以下認知，大部分都是王所長的原話 。
（1）強度專業的領域屬性
強度專業從力學衍生而來，深耕于工程技術 。鑒于飛機強度專業的輸入正從狹義的機械力演進為廣義的自然力，現代飛機強度專業具有廣義力學和航空技術的雙重領域屬性 。它既是科學的，又是技術的 。隨著飛機由傳統機械系統演變到由現代飛控系統使能的半自動化系統，進而向人機協同和智能系統方向發展 ， 強度專業將面臨科學與技術的雙面挑戰，在回應這些挑戰的同時也將被賦予更多新的內涵 。
【把自然科學、技術科學和工程科學分開成為三大范疇的觀點值得商榷 。
以下一大段文字（藍字部分）是我的基本認識，未在講座中涉及，對彬文所長的基本觀點也無根本性影響 。闡述于此，只是為了引起大家注意，通過討論 ， 形成共識 。】
科學按其固有含義，包括自然科學（ ）、社會科學（ ）和形式科學（ ）三類 。自然科學研究物質世界 。社會科學研究人與社會 。形式科學研究邏輯與數學等，通過提供用于描述世界的結構的信息以及可能對其進行推論的方式，來幫助自然科學和社會科學 。“
自然科學”指人類研究物質世界的全部理論與方法 。其任務是研究和解釋自然現象，尋找事物間的關系 。自然科學由基礎科學（Basic ）和應用科學（ ）兩大類組成 。
基礎科學也被視為純科學，主要包括物理學、化學、生物學、天文學、地球科學等基礎學科，以及由基礎學科發展出的交叉、邊緣學科 。把基礎理論轉化為實際運用的科學，被稱為應用科學，其研究的方向性強，目的性明確 ， 與實踐活動的關系密切，直接體現人的需求，但仍保留科學的屬性，不與特定的應用相捆綁 。應用科學的主要內容是工程科學（包括力學、運動學、電磁學、工程物理學、設計學、制造學、材料學等）和醫學科學（如醫學微生物學、臨床病毒學、生物醫學等）及其他門類 。技術與科學具有明顯不同的性質 。
一般說來，科學的任務是認識世界，有所發現 ， 從而增加人類的知識財富；技術的任務是發現世界，有所發明，以促進創造物質財富，豐富人類社會的精神文化生活 ?？茖W回答“是什么”和“為什么”，技術則回答“做什么”和“怎么做” 。技術必須滿足諸如效用、可用性和安全性等要求 ， 技術不是科學的自然產物 。技術的發展可以借鑒許多知識領域，但必須通過具有明確目標的創造性勞動，才能獲得可實際應用的技術成果 。
科學和技術的成果形式也不同 。科學成果一般表現為概念、定律、論文等形式；技術成果一般以工藝流程、設計方案、操作方法等形式出現 ?？茖W產品一般不具有商業性，而技術成果具有強烈的功利性和商業色彩 。
值得注意的發展趨勢是 ， 技術與應用科學的界限日漸模糊 。初時，人們強調科學和技術的差異，稱科學是創造知識，而技術是運用知識 。如果說基礎科學中的傳統學科 ， 如天、地、生、物、化等，尚符合上述認定的話，作為基礎科學新興部分的交叉、邊緣學科以及廣闊領域的應用科學，它們的任務和成果，已經同技術難以明晰劃分了 。應用科學是科學，也可以看作先期技術，因為其成果也能直接作用于物質形態；而技術自身也同樣創造知識 。
工業領域的科技工作者主要從事工程科技的研究與應用 。工程科技可以認為是應用科學里的工程科學與用于工程的技術的總稱 。其基本任務是解決工程問題，但需順應學科融合之趨勢神經網絡在應用科學和工程中的應用：從基本原理到復雜的模式識別，注重科學知識的學習積累 ， 使工程技術具有更堅實的科學基礎，并揭示與提升工程技術的科學本質，使其理論化和體系化 。
（2）大強度、新強度和數字強度概念的提出
源于力學的強度專業具有很強的基礎性和廣泛的應用性 。隨著飛行速度越來越高，使用環境和操控形式越來越復雜，強度專業面臨一系列新問題，促使強度專業的內涵深耕廣拓 。
強度的研究對象從較為單一的結構，演進為涵蓋材料、結構、設備、系統、全狀態飛機的大范疇，稱之為大強度 。
強度的研究方向從較為單一的安全性，演進為安全性、穩定性、可靠性、舒適性、適應性等相互交融的寬領域，稱之為新強度 。
強度的研究手段從最初的解析法，發展到工程法 ， 再到數值法，21世紀以來 ， 正進入基于模型的數字化階段，稱之為數字強度 。
基于上述演進，強度的廣義內涵應是：研究對象在設計狀態下保持其目標品質的能力 。
（3） 強度專業發展中的多學科綜合與優化
在航空發展進程中，強度專業的發展一直伴隨著飛機（結構）設計準則的變遷 ， 如靜強度設計、安全壽命設計、破損安全設計、損傷容限設計、廣布疲勞損傷設計等 。在大強度、新強度、數字強度的發展推進下，伺服穩定性、結構適墜性、系統可靠性、乘員舒適性、氣候適應性、戰傷生存性等 ， 將成為飛機設計不可或缺的重要元素，進入設計準則 。這些元素呈現融合和交叉的特點，多學科綜合與優化既是強度專業不斷拓展的新內容，又是發展演進的新特征 。
（4）強度研究所和強度工程師
強度研究所的使命——強度理論的探索者，強度技術的創造者，強度工具的提供者 ， 強度設計的驗證者 。
走進型號主戰場，夯實強度研究與試驗的科技基礎 。從上世紀末以來20年間 ， 是強度專業發展的黃金時段 。在參與研制殲-10、殲-15、殲-20、運-20和C919等新型號中，攻克了一大批強度關鍵技術，構建了完備的積木式驗證體系，形成了系統的強度專業能力 。強度專業的研究深度與廣度也進一步拓展，專業體系進一步完善 ， 突破了振動疲勞、空腔噪聲、虛擬試驗等一批基礎瓶頸，攻克了多物理場耦合、飛發一體化、振動主動控制等一批交叉學科研究難題，填補了氣候適應性、結構沖擊、結構/機構可靠性等一批新興專業的建設空白 。
強度工程師的科技素養——寬廣縱深的知識結構 ， 豐富的力學與有限元知識，強大的建模和軟件使用能力，對材料、制造、控制、隱身等技術的深刻理解 。
（5）關于強度專業的哲學思考
我極喜歡彬文所長講話的最后一段 ， 是哲學思考，又是專業智慧 。我抄錄于此，也作為我這篇微文的結束：
強度是最符合東方哲學中庸之道、和諧統一的專業 ， 強而有度，張弛有道，從狹義的機械力到廣義的自然力 ， 強度專業的發展始終充滿著生命力 。《禮記·中庸》中講“中立而不倚，強哉矯！”，《道德經》中講“知人者智 ， 自知者明 。勝人者有力，自勝者強 。”這些都給予我們專業發展無盡的智慧 。
科學是一門藝術，強度專業更具韻味，從哲學意義上講 ， 度是萬物之靈魂，對強度而言，度是永恒之追求 ， 過之一分顯拙，欠之一分則險！從藝術與靈魂、韻與恒的角度詮釋強度，是專業的最高境界，“強之韻，度之恒”是強度人永恒的追求 ， 飛機強度技術將在這種追求的歷程中繼往開來 ， 飛機強度專業發展將日新月異 。
衷心祝愿風雨艱辛后迎來大發展的強度所，薪火相傳，百尺竿頭再進步！也祝愿我們走進的這五家廠所，以及航空全線，都能有更大發展，捷報頻傳，創造出無愧于新時代的輝煌業績！
本文到此結束，希望對大家有所幫助 。