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大师风采

计算机事业的“拓荒人”——记计算机专家、中国科学院院士高庆狮

高庆狮(1934.08—2011.05),福建厦门人,原北京科技大学教授,计算机专家。1957年毕业于北京大学数学力学系后进入中科院计算技术研究所工作,长期致力于计算机体系结构设计、机器翻译、统一语言学理论、新模糊集合论,计算机网络安全等方面的研究;1958—1964年担任我国第一台自行设计的大型通用电子管和第一台大型通用晶体管计算机体系结构设计负责人之一,先后担任我国第一台十万次/秒以上晶体管计算机(专为“两弹一星”服务,被誉为“功勋计算机”的109丙机)及我国第一个计算机管理程序(在109丙机上)体系结构设计负责人;1964—1970年兼任我国第一颗人造卫星地面计算控制中心负责人;1973年设计出全部国产化的纵横加工流水线向量亿次巨型机方案;1980年提出人类智能活动的基本模式主要“宏变换”,并且开始把机器翻译作为一个独立课题进行研究;1994年开始任北京科技大学教授,提出多自然语言的机器翻译方法,并获得了发明专利;2000年在计算机网络安全方面提出了从体系结构角度来防止病毒攻击和盗窃的方案,并获得了发明专利。1978年被评为全国科技大会先进工作者(全国劳模)、1984年被国家科委授予第一批有突出贡献专家称号,曾任第五届及第六届全国人民代表大会代表。1980年当选为中国科学院学部委员(1993年改称院士)。

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1934年,祖国东南海域的鼓浪屿一派平静,渔民们日出而作日落而息。海面隔断了小村子与世界的联系,隔开了中华民族的痛苦呼喊。在这一年中的一个平凡夏日,高庆狮出生在这个安宁的小村子里。命运的齿轮悄然转动,若干年后,他成为了我国计算机事业的“拓荒人”。

求知若渴,步入数学殿堂

幼年的高庆狮一直与外祖母一家一起住在九龙江上一艘破旧的船上。清贫的家庭背景并未给童年的高庆狮带来多大的困扰。他喜欢大海,喜欢《圣经》里的小故事,喜欢《平安夜》那样的教堂音乐。年幼的他眼中的一切都是新奇的,对生命里一切美好的事物保持着热忱的喜爱之情。就这样,他深深地陷入了自己的小画册之中,沉浸在了自己的世界。1938年5月,日军占领厦门,鼓浪屿随之受到波及,宁静的岛屿变成了恐怖的世界。一时间,鼓浪屿上人心惶惶,高庆狮的父亲也因日军入侵而破产。尽管日军占领鼓浪屿时高庆狮仅仅七岁,可是侵略者的暴行和亲人的苦难在他心底刻下不可磨灭的创痛。他想为自己的家人、家乡和国家做些什么,求知强国的种子深深地埋入了他的内心。

高庆狮在一所教会学校开始了自己的求学道路。刚刚进入学校的他感到十分兴奋。一直喜爱探索知识的高庆狮原本只能靠自己的悟性去理解,而当以前的疑问与困惑得到老师的指点与引导,高庆狮更加如鱼得水。在小学和中学的学习生涯里,埋头书本中的高庆狮受到了良好的教育,而他在数学思想上得到的启蒙,更为他打开了一扇通向学术之路的大门。

1953年,19岁的高庆狮以数学100分、物理97分的成绩考入了北京大学数学力学系。踏进北大校门的高庆狮,满心萦绕着幸福。在这里,他每天奔走于自习室、图书馆和宿舍之间;在这里,他结识了江泽涵、吴光磊、冷生明、丁石荪、陈杰等名师,在老师的帮助下他打下了坚实的数学基础;在这里,他感受到了兼容并包的思想,这为他今后的科研之路明确了方向。

从鼓浪屿到燕园,高庆狮明确了强国报国的志向,从此他的人生传奇徐徐拉开了帷幕。

顺应国家,投身计算机研究

20世纪50年代初,中国的社会主义改造基本完成,全国人民在党的领导下热火朝天地开展社会主义建设。此时,高庆狮正在北京大学勤奋求学,努力钻研他所喜爱的抽象数学理论研究。然而,在国家发展的需要下,高庆狮两次转行。应国家之需,解国家之难,也是这两次改行,成就了高庆狮不凡的一生,也书写了中国计算机事业从无到有、从弱到强的传奇故事。

1956年8月,周恩来总理亲自组织制定十二年科学发展规划,将计算机、半导体、电子学、自动化列为国家科技发展4项紧急措施,同时成立中科院计算技术研究所。同年9月,计算所与北京大学、清华大学合办了第一届计算机训练班,高庆狮被安排转学计算数学,参加了这一训练班。进入计算机训练班后,高庆狮直接聆听了钱学森等一批共和国功勋科学家的教诲,受益匪浅,也奠定了他坚实的计算理论基础。

1957年,高庆狮以优异的成绩从北京大学数学力学系毕业,被分配到中国科学院计算技术研究所工作。在国家发展的需要下,高庆狮转战计算机总体设计,进入了中国第一个计算机系统结构研究与设计组。进入小组之后,他认真学习翻译资料、扎实做好模拟实验,收获了很多经验和成果,为他后来的计算机、巨型机设计打下了坚实的基础。

回首往事,高庆狮深有感触地说:“转行对个人而言,接受起来有难度,但国家和人民的需要是锻炼和发挥个人能力的难逢机会。”读书只为报国,不计个人得失,正是这样,高庆狮开创了中国计算机事业一个又一个的“第一次”,成为中国计算机领域当之无愧的“拓荒人”。

一往无前,书写拓荒传奇

读书科研,高庆狮始终牢记国家需要,在半个多世纪中,他用自己的行动践行了强国报国的愿望,为我国计算机领域做出了巨大的贡献。

开拓进取,研制国防“功勋机

1958年,高庆狮作为系统结构设计负责人,开始了中国第一台自行设计的大型通用电子管计算机119的系统结构设计研究。当领导将设计任务交给他时,他没有向组织提任何的要求,满怀信心地答应了。“我们从没有考虑有没有经费、报酬、日后算不算成果这些事情,一心想着认真完成上级交给的任务。”高庆狮说。攻关的岁月是艰苦的,但也是充满激情的,高庆狮回忆道,“1959年岁末,我国第一台自行设计的电子管计算机119的电路实验刚刚完成,需要立刻进行逻辑图修改,我们全部系统结构组成员及电路组中志愿者一共八个人,马上投入战斗,每天晚上工作到凌晨2点多。累了就地趴在桌子上,或者到会议室,半坐半卧在沙发上,小睡一会儿。清晨6点起来,清水漱口,派人就近买点早点,饭后又开始投入第二天的战斗。”正是凭借着这样的干劲和激情,高庆狮圆满完成了任务。1964年,我国自主设计的第一台大型通用电子管计算机119在中科院计算所研制成功,运算速度每秒5万次。

119机是当时世界上速度最快的电子管计算机,但是,当时国外已经转入晶体管计算机时代。为了赶超世界先进水平,1959年,高庆狮作为系统结构设计负责人,开始了中国第一台自行设计的大型通用晶体管计算机109乙机的系统结构设计研究。高庆狮自学了苏联的计算机总体设计方面的翻译资料,经过实验和经验总结,得出结论“在系统结构设计前必须首先分析用户程序,而后研究程序语言并探索编译的实现”。经过不断地攻关、实验、修正、论证,109乙机的系统结构方案终于设计成功。1965年,我国第一台大型通用晶体管计算机109乙机在中科院计算所研制成功,浮点运算速度每秒6万次。

“不要幻想经过成千上万个聪明人没有搜索到的重要的科技宝藏,会突然从天上掉到你的口袋里。”如高庆狮所说,科技发明是偶然中发现,但绝对需要长期的积累与沉淀。在电子管计算机119和晶体管计算机109乙机的程序结构设计研究中,高庆狮发现,编译软件可以用硬件快速直接实现,首次提出“内外一致语言”。基于软件可以代替硬件这个事实,中国第一台计算速度为十万次/秒的109丙机诞生了!1967年9月,全机进行了验收和鉴定,运算速度每秒11.5万次。10月8日,《人民日报》作了专题报道:“我国一台最新型的晶体管大型通用数字计算机109丙机研制成功。”11月5日,军委副主席、国防科委主任聂荣臻同志专程参观了这台机器。109丙机在国防部门服务了15年,有效运算10万小时以上,被誉为“功勋计算机”。

成功面前,高庆狮没有丝毫的停歇,又以总体设计负责人的身份在109丙机上面设计了我国第一个管理程序,为我国计算机领域的发展做出了卓越的贡献。

孜孜以求,助力人造卫星升空

1957年10月,苏联成功地发射了人类第一颗人造地球卫星,4个月后美国也成功发射“探险者一号”卫星。面对错综复杂的国际形势,1958年5月,毛泽东主席提出:我们也要搞人造地球卫星!

1965年,人造卫星任务正式开始实施。同年10月,中国科学院启动了第一颗人造卫星“东方红一号”的研制任务。高庆狮作为地面计算控制中心设计的负责人之一,参加了这个历史性项目。随着文化大革命的动乱,控制计算中心的办公地点几经变动,先后从自动化所搬到西城区祖家街的端王府、中关村操场北边的科学院设计室等地。但是,动乱的局面并没有影响高庆狮的工作热情与效率,他夜以继日地计算,热烈执著地讨论,兢兢业业地工作。在紧张的研制、艰苦的调试和精确的现场安装之后,地面计算控制中心准备完毕。1970年4月24日,我国自行设计和制造的第一颗人造地球卫星“东方红一号”由“长征一号”运载火箭发射成功。当听到响彻太空的《东方红》旋律时,高庆狮忘情地欢呼,这欢呼源自于辛勤的付出和努力,更源自于祖国腾飞的喜悦之情。

任务完成后,领导要为地面控制中心的工作人员庆功,高庆狮婉言谢绝,他认为自己只做了中国知识分子应该做的事情。发射成功的当晚,高庆狮吃到了部队食堂提供的一碗免交粮票的喜面,享受着发自内心的喜悦。

临危受命,打造超大向量机

1973年3月,我国飞行器设计进入了至关重要的阶段。众所周知,研制飞行器需要大量的数学运算。然而,当时国际上的ILLIAC-4计算机因为效率低和使用难正处于一片批评声中,国内的技术条件也达不到STAR[1]100等向量机所需的条件。当时国内规划使用10兆主频的电路研制200万次的计算机和用20兆主频的电路研制500万次的计算机,然而这却和飞行器设计需求相差甚远。

在这样的情况下,当时在中科院计算所工作的高庆狮就在所长阎沛霖的带领下来到了国防科委副主任钱学森的办公室。钱学森指出,“两弹一星”任务发展急需巨型机。面对国家需要,高庆狮没有推脱,他毅然领取了巨型机研制任务。面对艰巨的任务,高庆狮首先分析了国内相关条件,得出“使用20兆主频的电路基础上可以研制亿次巨型机”的结论,于1973年5月向钱学森进行了汇报。然而,为满足当时研制火箭和各种飞行器的流体力学的计算需求,必须有每秒一万亿次的巨型机。在这种情况下,高庆狮决定先对现有巨型机进行分析。经过对国防科技情报所和计算所情报室所提供的国外相关材料的分析,他发现ILLIAC-4和STAR-100这两种已存在的决然不同的巨型机是等价的,其关键在于向量的必须分段和流水线处理。经过众多的实验验证,高庆狮得出已存在巨型机的优缺点,继而锁定向量机的研究方案,在1975年提出纵横加工向量巨型机(757大型向量机)方案并正式上马,这比美国1976年公布的第二代巨型机Cray方案(采用“分段处理向量”方法)早了一年。在757的研发过程中,高庆狮又先后提出了十亿次、百亿次巨型机方案(虚共存细胞结构纵横加工向量机原理),这是国际上第一个“虚共存”概念的设计方案。

1984年,757大型向量计算机完成并通过国家鉴定,获得科学院科技进步特等奖和国家科技进步一等奖。757大型向量计算机完成后交付国防部门使用,为“两弹一星”做出了重要的贡献。面对荣誉,高庆狮说:“这是中国三千多名科研人员共同的成果。”

1980年,高庆狮凭借卓越的科技贡献、渊博的学识、出色的科研能力和不屈不挠的科研精神当选为中国科学院技术科学部委员(1993年改称中国科学院院士),成为计算技术领域最早的两名学部委员之一,也是当时技术科学部最年轻的学部委员。

厚积薄发,续写科研新篇

1980年,科学院为了探索计算机协助人类进行创造性劳动的途径,将工作方向转向面向未来智能领域应用的巨型机系统。这项研究工作得到了钱学森的支持,并在1986年被列入“863计划”。参与其中的高庆狮每日都从浩瀚的资料中查阅有用的信息,伏案工作,潜心研究,终于发现了计算机领域中一个具有跨时代意义的突破口。他发现,在半个世纪人工智能的研究中,竟没有提出任何一个人工系统(软件、硬件或者混合)含有真正意义上的“智能”。因此,他立刻开始了对人类智能及其模拟和应用的研究。在这一过程中,他从研究人类智能活动基本模式入手,逐渐深入到理论的总结和创新。他提出人类智能活动的基本模式之一是“宏变换”,并且发表了一组在人类智能科学领域里程碑式的论文,包括多项式算法、线性算法、局部搜索和常数算法,这些算法都比美国同类算法要早。

在对人工智能活动研究的基础上,高庆狮对具有巨大社会效益和经济效益的机器翻译产生了浓厚的兴趣,把机器翻译作为独立研究课题。20世纪80年代末,高庆狮组织和指导由他的博士生、硕士生及协作人员组成的20名研究小组进行开发。

1994年,高庆狮来到北京科技大学任教。他又提出基于变换的多语言互译新方法,并与公司合作进行实验。他的学生陈肇雄博士组织另外两个协作单位,进行改进和产品化,成功研制出智能型英汉机器翻译系统EC[1]863。该成果获国家科技进步一等奖。

从2000年开始,高庆狮提出国际上第一个不需要事先切分,其速度与语言知识组块多少无关的多语言机器翻译方法及提高自然语言口语识别和文字手写(包括在线非在线)及印刷体识别率的有效方法,并且前后申请了三个发明专利,一步步向锁定的实用目标推进。

高庆狮在进行人工智能研究的同时还关注着网络安全研究,在这个过程中,他看到靠鉴别认证软件来发现病毒很难于事先进行,于是提出“如果病毒进入了计算机系统,从系统结构角度采取措施(虚拟空间隔离)来防止‘病毒对系统内需要保护的软硬件进行盗窃或破坏’”。他率先提出了国际上第一个从计算机系统结构角度来防止病毒攻击和盗窃的创新性方案,这一方案打破了人们在计算机软件方面保护电脑的传统思维,创新而独立地提出从计算机硬件上对电脑进行改进,不仅在病毒防护领域提出了新的思维,甚至给未来计算机的总体设计也提出了新的思路,这一研究成果获得了国家发明专利。

与计算机病毒的抗争刚刚结束不到一年,高庆狮又锁定了新的研究方向。他通览了美国加州大学自动控制理论专家Zadeh的模糊集合论的有关书籍和研究资料。通过阅读和思考,发现1965年Zadeh提出的模糊集合论不完备(不能正确描述客观世界中的各种模糊现象)和不可能有补集的两个缺点。Zadeh先生在思维、逻辑和概念方面出现的混乱错误没能接受数学家们的批评,致使产生了模糊集合论必须与经典数学理论相悖的严重错误,40年后的今天,模糊集合论仍然不是一门严格的数学理论。高庆狮大胆地对这一尘封近半个世纪的问题提出了挑战,他讨论了模糊集合之间存在着的关系,提出新的计算公式,改进原理论,提出了“与概率论的基本部分同构,与经典集合论一致,与通常逻辑、思维和概念相一致”的新模糊集合论,从而把模糊集合论扭转回精确的科学轨道,克服了Zadeh模糊集合论的全部错误和缺点。

潜心科研的同时高庆狮也不忘关注国家科技研究的发展。21世纪以来,众多的“中国芯”不断涌现,计算机产业链的国产化又前进了一大步。这些“中国芯”都是“集成电路生产线大三角形”的一个应用,这也就意味着其水平仍然依赖于外国集成电路生产线水平和外国政府批准向中国出口的集成电路生产线的水平,仍然受制于人。面对这种情况,高庆狮多次建议国家积极研制全部国产化的亿次高性能巨型机,加快完全自产的国产计算机集成电路的研制工作,为建设我国自己的集成电路生产线做出了贡献。

从体系结构到人工智能、机器翻译,构建安全计算机体系结构,树立新模糊集合论,统一语言学理论,倡导集成电路建设,高庆狮始终挂念着国家科技发展。在成为中科院院士之后的几十年里,他用一系列科研成果的发表、一项项新技术新理论的诞生、一本本学术专著的出版印证了把全部生命投入科研事业的决心和信念。

数十年来,作为我国计算机领域先驱、智能科学开拓者的高庆狮,在国内外一级学报及国外国际会议等处发表论文70多篇、完成30多篇有关重大工程的论证报告,作为设计负责人先后获国家科技进步一等奖2项、中国科学院科技进步特等奖1项、全国科学大会重大成果奖4项,为我国计算机和智能科学事业的发展做出了重要贡献。

明师重德,育人孜孜不倦

高庆狮不仅是计算机学界的灵魂领军人物,还是一名诲人不倦的教师。

他注重培养学生独立思考、勤奋务实的学术精神。对于学术研究,高庆狮有着自己的理解,他崇尚独立思维,告诉学生要“独立思考,不能人云亦云。独立判断是非曲直,独立判断经济效益、社会效益和科学价值”。

他时刻牵挂学生的成长。在听取学生的汇报时,高庆狮常常询问学生们最近看了什么书,他还注重引导学生进行思考,只要听到学生们有了新的研究和思考,他就非常开心,并同学生们一起探讨。因家庭的原因,高庆狮经常来往于中国和加拿大之间,但不管是身在国内还是国外,他都时时不忘指导学生的学习和研究工作。有一次高庆狮的一名学生送他去机场,一路上高庆狮抓紧时间为学生解释六元素形式文法的问题,但是到机场时两人还没讨论完,就约好等高庆狮回来后接着讨论。可没想到那位同学刚回到学校,就接到了老师从机场打来的电话,高庆狮利用半个多小时的候机时间在电话里详细地阐述了对生成文法的一些思考,终于解开了学生的疑惑。

他还悉心关怀学生们的生活,是严师,更是亲人。因为担心学生们破费,高庆狮不仅不让他们带礼物上门,反而时常将一些生活用品送给他的学生们,以改善离家求学的学子们的生活。2008年,南方许多地区遭遇了大雪灾,当时一位长沙籍的学生正在考取高庆狮的研究生。这位学生元月离开北京刚下火车,正走在积满大雪的路上,就接到高老师的电话“有什么需要我帮助的吗?长沙下了这么大的雪,家里人都好吧”。那年长沙的冬季非常寒冷,而那位学生的心里却十分温暖。

他重视身教胜过言传。惜时如金、全心投入,是高庆狮的一贯原则,他用自己的行动教育学生要珍惜时间、专注学业。每天清晨,高庆狮都起得很早,简单活动之后就投入工作之中、从不耽误;他平时最常做的就是伏案研究。高庆狮的简朴也深深打动了学生的心。他平时最常穿的衣服不是一件白衬衫就是一件毛背心,最好的衣服莫过于那套曾经穿着接受主席接见的素面西服。夫人说,高庆狮最重要的财产就是书房两面墙柜上的书和材料。

高庆狮真心喜爱教师的身份。他喜欢被人称为“老师”,而不是“院士”或是其他什么称号。身为中国计算机界的权威,有人称他为中国计算机界的“八大金刚”之一,对于这样的赞誉,他仅淡淡一笑:“都是他人说法”。

高庆狮以深厚的数学造诣和严谨的治学态度为学生传道解惑,以真挚的关心挂念和细致入微的照顾温暖学生,用自己的真诚、淡泊与朴素深深地影响学生。几十年里,他共指导七十余名博士、硕士研究生,这些学生有的已经成为科研院所的领头人,有的已经获得了国家科技进步奖,他们都在各自的岗位上为我国的计算机事业做出贡献。

一生耕耘,一生奉献,他是我国计算机事业荒原的开拓者;严谨求实,勇于创新,他是科研之路上的楷模;潜心教育,桃李天下,他是言传身教的领路人;谦虚谨慎,淡泊名利,他是道德风尚的榜样。这就是高庆狮院士。