全媒体演讲 | 阿里云:云深处 新世界—构建以云为基石的新工科人才培养体系
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2021年12月8—9日,“2021年教育部产学合作协同育人项目对接会”以线上线下相结合的方式在京召开。会议由教育部高等教育司指导,教育部产学合作协同育人项目专家组主办,中教全媒体、慧科集团承办。阿里巴巴集团阿里云智能高校合作总监周恩昌围绕“云深处 新世界——构建以云为基石的新工科人才培养体系”发表了主题演讲。

阿里巴巴集团阿里云智能高校合作总监 周恩昌

现场精彩演讲

各位老师大家下午好,我是来自阿里云智能负责高校合作的周恩昌。今天很荣幸再次来到教育部产学合作协同育人项目对接会,我今天和大家汇报的主题是“云深处、新世界——构建以云为基石的新工科人才培养体系。”

一 、云让计算实现体系变革

我的报告将围绕三方面展开,首先和大家探讨一下云如何让计算实现体系变革。2000年以来,随着硬件虚拟化技术和软件定义网络的相继成熟,催生出新的IT服务模式——云计算。云计算一经推出就因为其资源池化、弹性伸缩、按需使用、按量付费的特性成为一项兼具商业价值和社会价值的成功商业模式,吸引了整个产业的极大关注,最终发展成为今天整个互联网产业核心的基石。产业端的快速发展同样在推动技术端的不断演进,催生出容器、微服务等一批云原生新技术。这个时候“云”就已经开始从原先作为IT基础设施的部件转变为IT的核心,开始对计算体系产生深远的一些影响。我们看到越来越多的硬件和软件能够为了更好的适应云场景,对高并发、高性能、高能效和高安全的需求去做云化的改造和重构,从而能够最大化的发挥云的特性,为社会和企业创造更多的价值。

以阿里巴巴集团为例,在过去15年当中,阿里先是将整个核心技术设施做全面的云化,让业务100%跑在阿里公有云上,我们再将核心应用做云原生化的改造和重构,实现了巨大的降本增效。以“双十一”超级数据工程为例,我们CPU资源利用率提升了30%,技术研发团队研发效率提升了20%,交易成本大幅降低了80%。在阿里云看来,因云而变因云而生的硬件、软件架构就是云原生技术,云原生技术正在为计算体系的变革赋予新的内涵。一个以云为核心的新型计算体系结构正在逐渐形成。

云计算背后的核心技术首先是虚拟化技术。早期云计算都是通过软件来做虚拟化,虚拟机计算存储网络能力平稳性、性能都是通过虚拟化软件来提供支持,但虚拟机之间存在争夺资源、稳定性差的问题,同时虚拟化软件本身也占用CPU和内存,加大了成本投入。在用户端,需要更强的计算性能,更快的网络,更高的存储读写能力和更低的成本。于是在阿里专门为云而诞生了神龙架构,这是一种将软硬融合一体化的虚拟化技术。神龙架构服务器性能最关键的部分都是通过神龙芯片硬件去实现,而非关键部分例如控制面部分都是用软件去做,实现其灵活性和性能的有机结合。此外神龙支持同一套资源架构,从而能够对所有的计算资源进行管理和调度,实现弹性运维。软硬一体化的神龙架构就是典型的云原生,代表云数据中心虚拟化的新一代技术。

计算机最核心的部件——芯片层面,同样也为云而生。以阿里云今年在云栖大会上发布的倚天710通用服务器芯片为例,倚天710通用服务器芯片是为了满足数据中心对性能算力的提升和绿色环保双重要求而推出的一款云原生芯片。这款芯片基于最新的ARM V9架构,内含128核CPU,采用业界最先进的5纳米工艺。作为一款面向数据中心和云服务高性能的服务器芯片,倚天710针对云计算高并发条件下核数众多带来的带宽瓶颈问题,对片上互联做了一些特殊的优化设计,通过一些新的留控算法,降低系统的反压,有效缓解系统的拥塞,从而使得单核的高性能能够扩展并有效的转化为整个系统的高性能,最终把性能推到超过业界标杆20%,能效比提升50%的水平,这对于数据中心在算力提升和绿色环保等方面有显著的价值。

在软件方面,云原生化技术在不断演进。以操作系统为例,操作系统和云的亲密接触主要得益于容器的诞生和发展,和虚拟机服务器资源虚拟化不同,容器是操作系统的虚拟化,技术上升了一层。但容器本身存在相互干扰等安全方面的问题,为了解决这个问题,阿里云打造了全新的安全沙箱容器,既能解决容器安全隔离之间的问题,而且还可以和普通容器进行无缝混合使用。

在云计算的下一个时代,即无服务器时代,将会看到系统服务边界将会进一步上移,对普通用户来讲,不用再去感知底层系统任何技术栈分层,这种变化给操作系统在技术垂直整合和全栈优化方面创造了一个非常大的条件。到了无服务器时代,一个能够提供更优的底层系统能力的全新云原生操作系统一定会诞生。

操作系统是这样,同样,在数据库层面也是如此。数据库是一个历史悠久的基础中心软件,一边连着底层的操作系统,一边又连着上层的数据化应用,被认为是上云的关键一环,同样也在发生着一些颠覆性的改变。我们以阿里云自研的云原生数据库为例,它就是通过将计算和存储进行分离,打破存储的单一限制,实现灵活弹性存储。同时,通过分布式共享存储一写多读的能力和架构,使得数据库读的能力能够快速的水平扩展,大幅提高资源的利用率。

除了操作系统和数据库之外,大数据、人工智能、安全等以云的服务方式来对外提供的系统能力,都在做云原生化的改造,一方面向下实现异构算力的连接,屏蔽底层的复杂性,同时又可以向上支撑弹性稳定耦合的应用。

除了在系统软件基础软件层面,在更上层的应用开发层面,云开启一场开发范式革命。区别于传统瀑布式开发,周期长、技术复杂、需要配备大量的开发团队等特点,云原生开发范式采用模块化架构,低代码方式,通过标准切口和协议进行通信,而且可以实现持续的迭代更新和集成交付,包括实现运维的标准化、自动化。在扩展性方面,也可以按需自动进行水平弹性扩展,具备非常好的可一致性。更重要的是云原生的开发屏蔽了底层系统环境,让所有开发者只需要关注应用和业务价值创新本身。如果说过去开发者更多的是企业信息化战略的执行者,今后更有可能走向前台,成为数字创新的技术引领者。这是云原生能够带给开发时代的价值红利。在今年年底,68%机构就已经在生产系统中使用容器,25%的开发者使用Severless原生技术,75%的企业应用使用低代码技术来构建。云原生正在开启一个云上开发、全云开发的时代。

而在端侧,随着5G的发展,云网端进行深度的融合,从而催生出很多云上新应用。例如,阿里推出的云电脑无影,桌面端非常小,它的计算、数据、应用全部在云端,只需要借助一台显示器和网络就可以弹性使用云端的各种资源,大大降低了使用成本,而且提供了非常可靠的安全性。最近成为热点话题的元宇宙,本质也是基于云、网、端深入融合的新一代互联网交互方式。

当前,我们看到云正在成为整个IT的核心,向下定义硬件,让芯片服务器操作系统等底层系统体系以云为核心进行重构,而云向上又推动了开发模式的改变,核心软件都可以生于云、长于云,基于云来重构。在端侧与云网端深度融合协同发展,催生出云电脑、元宇宙、自动驾驶等云上新应用。一个以云为核心的新型计算体系结构正在形成,未来无论企业或个人,计算将进一步向云上迁移。

二、构建以云为基石的新工科人才培养体系

云在计算体系架构中的核心作用,也同样体现在数字经济新基建当中。新基建包括信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施,三者之中信息基础设施是核心。在信息基础设施方面,我们看到以云原生为核心的云计算,构建起面向全域的数据高速互联和算力全覆盖的操作系统架构,在这个操作系统架构里面,无论是聚焦在底层建设的网络服务、数据中心服务、算力服务,还是聚焦在上层的不同行业应用,例如物联网、区块链、人工智能服务商,都需要基于云计算操作系统界面进行交互和协同。所以,掌握云这一数字经济新基建操作系统应当成为数字经济不同技术专业分工人员所要掌握的核心技能。

但我们今天看到,整个产业面临巨大的技能人才短缺问题。去年人社部发布了首批13个数字化新职业,在未来五年每一个数字化新职业人才需求规模都超过了百万,但我们看到云计算工程技术人才缺口达到150万。人才缺口另一个侧面是长期以来高校信息技术人才培养,特别是在课堂教学和产业技术方面存在技术代差的问题。

面对这些问题与挑战,教育部于2017年推出新工科建设计划。我认为新工科建设的本质是为数字经济培养具备数字技能的高素质人才,因此,认清数字经济背后的技术支撑体系,把握数字经济发展的人才技能需求,应该是新工科建设的关键。从这个意义上来讲,随着云成为新的计算体系核心,成为数字经济基础设施和操作系统,新工科人才的数字技能也应当以云为基石来构建,有了云作为基石,才能够让学生学会以云用数,化数为智,因智而能。

高校大学生作为互联网时代的数字原住民,对云的概念并不陌生,但多数情况下只是停留在概念阶段,对于新工科专业着力培养的未来数字经济的建设者来讲,从概念层面去了解云是远远不够的,学生们需要对云建立起操作系统级别的认识,并且掌握基于云操作系统的核心技能,包括向下如何管理算力和网络资源,向上如何应用新技术部署云上的新应用,以及如何向外和其他数字从业者进行云上协同工作。所以,在新工科建设当中,我们应当将云计算列入新工科各个专业的核心技术体系,将云的分布式架构引入到所有的计算机软件类的专业课程中,取代传统以单计算原理和应用为主线的课程体系,同时将云操作系统作为学生工程实践能力培养的重要支撑平台,并充分借助我们企业提供的各类云资源,包括云电脑、实践案例、开源项目、科创竞赛等,全面提升学生以云为基石的工程素养,推进新工科高质量人才培养。

以《数据库系统》课程为例,在课程内容方面,基于原有传统数据库内容基础,把分布式数据库和云原生数据库相关内容可以增加进去,介绍数据库在云时代的变革、发展和挑战,包括云原生数据库主要特性、架构设计以及核心技术。在教学实践方面,可以借助阿里云云原生数据库Polar DB做云上实验,通过对比去体验云原生数据库的特性,同时在云上部署开发新的数据库系统,能够让学生直接在与未来企业生产环境完全相同的云实验环境中进行科学实践,以企业真实案例去做实际演练。让学生在未来能够实现无缝的平滑过渡,直接胜任工作岗位。

三、教育部-阿里云产学合作协同育人项目实践

在2020-2021年,我们和89所高校、205个老师合作了171个项目。项目宗旨是将云带给计算体系变革的各个技术要素融入到计算机软件的各门课程当中去,同时将传统的单计算机实验操作引导到云上分布式的实验环境里面去。其中有三项阿里云开源的核心技术是我们支持的重点,一是阿里平头哥开源的四款面向AI OT终端芯片的玄铁处理器IP,玄铁是阿里平头哥自主研发的基于RISC-V架构的CPU芯片,目前已经出货了超过25亿颗,广泛应用在工业互联、计算视觉、信息安全、人工智能等行业应用场景。二是阿里云打磨十年的服务器操作系统——龙蜥操作系统Anolis OS,经历了阿里数年“双十一”严苛考验,做了非常多的云原生优化,可以为云上场景带来显著性能和稳定性提升。三是PolarDB-X数据库,是业界首个实现存储、内存以及计算三层解耦的云数据库。PolarDB-X数据库在第三方的评测中进入到了代表全球数据库第一阵营的领导者象限,这在中国软件史上是第一次,我们认为这是一个重大的里程碑。今年我们也把PolarDB-X做了开源,在过去的两年中,我们已经有很多老师围绕阿里自研核心技术进行了教改和课改,沉淀了包括慕课、实验、教材等一系列教辅资源,这些资源都会通过教育部平台、慕课平台、阿里云实验平台对高校进行免费的开放,今后我们也会继续坚持这个方向,同时在云智能技术教材化方面加强与高校与老师的合作,把阿里20年深厚的技术积淀传播给高校的老师和学生。我们最近要出版和华师大合作的《云原生数据库》教材,欢迎老师们进行使用。

在满足老师们做云上教学实践方面,我们也提供了大量的云上资源。很多老师已经通过飞天加速计划,为自己免费领取了专属的云服务器,也为学生领取了多台云服务器,满足课堂实验和课后大作业的需求。同时我们专门为教学开发了一些产业级的云上实践平台,也为老师免费的开放,包括面向计算机基础教学的云起实验室、面向人工智能专业培养的天池AI实训平台,面向软件工程和创新教育的云开发平台。在云起实验室里面,老师可以自主选择20款不同的阿里云云产品,也可以根据自己的实验需求自定义云上实验场景,已经有很多老师在云起实验室部署了课程实验。在天池AI实训平台上,也有很多老师都愿意去调用我们的天池大赛所沉淀下来的各种大数据和人工智能实验案例。我们期待有更多老师能够基于我们云上实验环境和云的技能进行课程方面的改革。

最后,我想以我们阿里云工程师早期书写的一副对联作为今天报告的结尾:代码成就万世基,积沙填海;梦想永在凌云意,意气风发。代表了阿里云对打造一个国人自主研发的云计算平台的一种历史使命感的雄心。令我感到特别骄傲的是今天阿里云的成就都是来自于中国高校教育体系培养出来的万千人才。面对今后技术的快速发展,面对千行百业之中如火如荼的数字化改革进程,阿里云将初心不改,以更大的担当回馈教育,和各个高校开展产学研深度协同、深度融合,助力新工科人才高质量培养。我们共同去探寻求索,构建云深处的美好新世界。

(以上内容根据阿里巴巴集团阿里云智能高校合作总监周恩昌现场发言进行整理)

同名文章发表在《产学合作教育研究》2022年第1期,可点击阅读原文进行访问

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