漫谈操作系统现状:波澜不惊的应用环境与风起云涌的技术狂潮

本文是“2021 InfoQ 年度技术盘点与展望”系列文章之一。

操作系统的时代意义与波澜不惊的应用环境

自 1946 年第一台计算机诞生以来,人类开始走向数字化时代,1956 年出现第一代批处理系统——GM-NAA I/O,时至今日计算机与操作系统经历了五十多年的伴随式发展,人们开始越来越习惯计算机技术为生活、工作、学习以及娱乐所带来的丰富多彩的体验。

从智能手表到手机,从平板电脑、笔记本到台式电脑,以及现在几乎全部在线的应用软件背后存在的大量服务器设备,人们每天频繁地使用上面的应用帮助自己完成日常生活、工作任务。操作系统作为支撑计算机有序运行的底层基础技术,已经成为信息化时代一台计算机的灵魂所在,而灵魂往往是最难以被触及的。

“中国信息产业缺芯少魂”——早在 1999 年中国科学院院士,时任科技部部长的徐冠华先生就曾指出这一核心问题。二十多年后的今天,面对核心技术封锁的风险,中国信息产业的芯(芯片)与魂(操作系统)正在发生着剧烈的变化。

虽然操作系统在应用场景中面向用户的存在感并不高,但却是必不可少的根技术,正是操作系统使得人机交互效率与体验一直不断进步发展,甚至影响着计算机技术、互联网技术的发展方向。

通用终端环境

以目前的应用场景,通用终端主要包括个人计算机、服务器、平板电脑、智能手机,以 Windows、OS X、Linux、iOS、Android 为主要操作系统。在移动互联网时代,Android、iOS 等移动操作系统已经赶超个人计算机、服务器等终端操作系统的市场份额。

而在这些终端设备的应用环境中,操作系统由于其基础属性,变革周期相较其上的应用更漫长,技术发展更缓慢,追求得更多的是稳定和安全,以保障用户在其上平稳的安装部署使用各类应用软件。用户对操作系统的感知度相对较低,市场对操作系统领域的变化并不敏感,各操作系统厂商的主要研发投入方向也悄然地发生着变化。

2021 年 12 月,市值一度超过苹果公司,成为市值第一的微软,在 2021 年 Q4 财报中,服务器和云服务营收增长 26%,其中 Azure 云服务收入增长达 50%,预计在 2022 年收入规模超过旗下 Office,成为微软最大收入来源。在新技术方面,微软一直对其 MR 产品 Hololens 非常重视,而在云服务项目上,也正在计划提供云端 Rigetti 超导量子计算机服务,传统 PC 操作系统已经逐步退出微软公司的第一业务阵线。

苹果公司在 OS X 和 iOS 的投入目前并不明朗,但一直以来,苹果公司都致力于新领域的探索,Apple Class、Apple Car 以及 Apple Watch 等新型智能设备的研发投入巨大。操作系统虽然仍是苹果公司的重要产品,但以苹果公司的营收模式来看,操作系统并不能直接为其带来收入,所以新的智能设备也许是苹果公司更加关注的方向。

Android 系统为移动互联网时代带来了繁荣,其开放自由的模式让更多开发者投入其中,各大手机厂商也依赖 Android 生态来构建自己的移动设备(包括平板电脑),但众所周知的是,谷歌一直以来并不仰赖 Android 为收入点,谷歌的搜索引擎及广告依然是其主要的收入来源。而在技术探索上,谷歌在云计算、人工智能等方面一直有着重度的研发探索,在量子计算、人工智能等方面有着领先全球的技术优势。

Linux 系统方面,作为开源的操作系统,其最知名的商业公司 RedHat 几乎一家独大,其主要成功点在于无法模仿的商业模式。在过去十年里,RedHat 从销售企业版 Linux,发展至今,已经涵盖存储、中间件、虚拟化、云计算领域,都是依靠像企业版 Linux 一样的流程,实现了“红帽”系产品阵列,RedHat 已经不再是一家单纯的 Linux 操作系统公司。

而在 Linux 的上层社区,Linux Kernel 开源社区的技术生态也不乐观。Linux Kernel 的创始者 Linus Torvalds 在一次关于 Linux 内核维护的未来讨论中,曾提到“在他们这批 Linux 内核维护者老去之后,很难再找到新的继任者,因为在很多年轻开发者看来,Linux 内核项目并不那么有趣。”而 Linux 基金会也正在全力发展云原生基金会(CNCF),这为整个云计算生态带来了很大的推进和影响,也预示着在云端底层技术的发展方向。

2021 年,普华基础软件也发布了三款面向云端的新型产品:普华太极服务器操作系统、普华太初云云管平台以及普华太易智能运维平台。支撑国内关键行业的云端业务发展,构建自动化、数字化的云端底座。

智能设备环境

在智能设备方向上,操作系统仍然担任着最重要的基础支撑作用。智能设备主要包括智能可穿戴设备、智能家居电器以及专业领域的智能机具,目前主要使用 Linux、Android 以及 RTOS 为底层操作系统。

在智能设备环境中,针对使用场景和硬件的非标准化情况,操作系统需要针对性的进行修改、剪裁,用户在此类环境中对操作系统的感知更加薄弱。体验感知更多的是专用的应用软件,例如智能手表中的时间、心率监测以及 GPS,扫地机器人的自动寻路、遥控以及空气墙功能。专业领域更是针对特定场景的定制化应用,例如人脸识别登记系统、银行自动发卡系统等。

云计算环境

在云计算环境下,操作系统主要集中在服务器层面,而目前全球服务器的系统支撑主要依赖 Linux 的各种发行版。在全球云计算服务市场份额第一的 Amazon EC2 上,各类 Linux 发行版本覆盖了 92%的计算实例,Windows Server 只占 8%,而在全球最强的 500 台超级计算机名单中,Linux 操作系统占据了 498 台,其他两台是运行 Unix 的 AIX。

在网络时代的今天,几乎所有的应用和服务都已经连接云端,人们对服务器的需求量逐步增大,这些服务器以及上面承载的信息如同空气一样已经全面覆盖到了人类世界的每一个角落,而也正如空气一样,终端用户对服务器及其之上的操作系统很难感知,人们谈论更多的是网络传输的速率、网络服务的内容。

20 年间,随着应用技术的发展,在不同的应用环境中,操作系统作为底层技术已经成为人们习以为常的基础软件平台,那么,操作系统技术的发展是否会因为用户感知的忽略而停滞不前呢?

答案是否定的,虽然操作系统在表层的显现上逐步下降,但是底层技术的发展从未停止,依旧风起云涌。

风起云涌的技术狂潮,架构剧变与操作系统的蜕变

芯片领域的技术变化

计算机技术架构中,操作系统置于以芯片为核心的基础硬件层之上。2021 年,芯片领域技术发生了剧烈的变化,随之而来的是对操作系统需求的变化。

2020 年 11 月 11 日,苹果发布了最新的 M1 芯片,并搭载到苹果多个桌面平台产品。M1 芯片并非传统意义的 CPU,实际上是一颗 SoC 芯片(System on Chip,系统级芯片),这是一种芯片级高度集成的处理器,能够大幅降低系统功耗,运行速度也是芯片级的提升,这为苹果的用户带来了前所未有的体验。

苹果公司M1芯片是SoC,可以看到其中也集成了CPU(中央处理器)

但要做到苹果 M1 芯片这样的水平,门槛是极高的。首先苹果产品具备完整地生态和供应链,在封闭系统下的软硬件技术积累以及充足的研发投入,当然这并不是苹果公司独创的绝技,实际上在移动终端领域早就使用了这样的技术模式,例如智能手机的芯片。

计算机技术一直以来都是算力不断扩展→压缩→集成→扩展→再压缩→集成的循环发展模式,世界第一台 CPU 占地 170 平米,重达 30 吨,每秒运算 5000 次,而现在一颗苹果 M1 芯片每秒运算高达 11 万亿次。在这过程中,操作系统已经发生了翻天覆地的变化。

在传统 CPU 模式下,操作系统是置于硬件之上的系统,而现在在 SoC 芯片的部分应用场景下,操作系统甚至已经开始集成至芯片内,这对算力的压榨又进了一步。

基础硬件算力的提升,操作系统技术的下沉,将出现高度集成的高算力计算架构,还是会诞生传统操作系统之上的新型操作系统?皆有可能。

在高度集成的设想下,芯片中仅针对实时需求的算力传输集成剪裁的操作系统,能够大幅增加专用方向的计算能力,例如 AI 算力、数据库加速等,而在通用应用场景中仍然继续使用传统操作系统。

如果将传统操作系统结合芯片技术发展,直接集成在底层芯片中,上层操作系统的建设也许会更加贴合新的交互形态,例如人工智能操作系统、虚拟现实操作系统等,而这些都是目前市场环境急需的新型系统。

如果我们直接认定传统桌面和服务器处理器技术应停滞不前,也不客观。中央处理器(CPU)还是当前芯片技术的领导者,在传统计算机模式下,CPU 的制作工艺、架构设计以及硬件性能的挖掘等技术方向仍在不断推进,但是其生态模式与苹果公司推行 SoC 芯片的技术方向差别巨大,传统 CPU 模式很难迅速追赶。

近几年 NVIDIA 预收购 ARM,AMD 收购 Xilinx,Intel 推出 oneAPI,都是瞄定了异构计算的方向。因为正向前文所说的,新一轮的算力压缩集成已经开始了,操作系统也必将在这个过程中产生变化,但最终形态会是怎样的,现在还并不明朗。

Intel的oneAPI开放了异构计算的接口方案

终端领域的技术变化

我们探讨了底层硬件技术的发展变化,而终端设备层是否也正发生变化呢?目前市面上主要的终端设备包括传统计算机(桌面和服务器)、移动设备(平板电脑和智能手机)、智能设备(可穿戴设备、智能家居以及专用领域终端)等。

个人认为,传统计算机在桌面层的底层架构及技术近 30 年并没有发生过实质性的变化,严格遵守着冯.诺依曼计算结构,仅仅从运算、存储、传输方面的性能不断提升(当然 GPU 技术也许是个新的变化,但不影响核心架构),操作系统并没有革命性的创新与改变。

2021 年,时隔六年 Windows 11 正式发布,采用了全新的界面设计语言,但底层的交互逻辑与功能并未发生巨大变化,实际上 Windows 多年的更新过程中,核心能力与当年的 Windows 95 相比,除了界面的变化,在本质上没有任何区别。而在服务器上命令行应用场景下,Linux 系统的本质变化更是少得可怜,更多的是对硬件的兼容性和包容性的加强,以及对硬件性能及稳定性的维护。

在移动端方面,Android 与 iOS 发布近 15 年来,在操作系统界面、自带应用方面都有着较多变化,结合智能手机设备引领着全球迈入移动互联网时代。但在底层技术方面依然延续着初始架构,Android 是基于 Linux 内核开发而来,iOS 是基于 Unix,目前根据两大移动端操作系统的版本迭代来看,已经逐步走向稳定维护的阶段。

有趣的是在通用终端方面的变化。2021 年,各大操作系统公司都在加强对新终端系统及产品的曝光和披露。苹果公司进一步认定了 Apple Car 和 Apple Glass 的研发计划,并对上市时间有了进一步的透露,2021 年外媒爆料 Apple Car 目标在 2025 年问世,并以全自动驾驶为目标。

在汽车产业 ,自动驾驶集成了人工智能、数据交互、高精度定位、车载终端、多传感器融合技术等多项技术,对传统的汽车芯片和操作系统提出了更高的要求。从操作系统的角度,传统的经典控制模型正在向感知、融合、决策、控制、执行的新型控制模型转变,传统的车用操作系统已经无法满足需求。车控操作系统向智能驾驶操作系统演变,车载操作系统向智能座舱操作系统演变已经成为必然的趋势。

同为操作系统大厂的微软除了大力发展云服务业务,在新型终端的研发上丝毫没有停滞,其混合现实眼镜 HoloLens 已经发展至第二代,未来也将与三星联合开发 AR 眼镜项目,目前的 HoloLens 已经在科研、医疗与教育领域有应用实例,这也预示着操作系统公司对未来新型交互的操作系统系统更看好 VR(虚拟现实)、AR(增强现实)亦或是 MR(混合现实)的方向。

在服务器方面,操作系统又发生了哪些变化呢?

过去,我们拥有一台服务器就可以开发出需要的互联网应用和服务,而且我们确定知道这台服务器的存放位置。随着技术的演进,虚拟服务器实例成为了网络应用开发者常用的计算单元,单台服务器已经不能满足现在的应用环境,意味着人们不再使用一台服务器(不管是虚拟的还是物理的)来完成互联网应用服务的开发和部署,而是采用分布式集群统一调配使用,这样每台服务器上的操作系统(大多数时候是 Linux 系统)就变得微乎其微,而成千上万的应用组件和中间件成为了互联网开发者的亲密伙伴,这是目前最常见的服务器应用场景。

在这样的场景下,对集群资源的管理、调配、编排以及监控系统整合的平台系统更像是面向整个数据中心的操作系统,也可以称之为“云计算操作系统”,人们需要强大的云计算操作系统来解决成百上千台服务器的管理和使用问题。那么,在服务器终端方向是否会出现一个将数据中心看作一整台计算机的“云计算操作系统”呢?

云原生技术也许会带来答案。

云原生技术是一种构建和运行应用程序的方法,它并不代表某一项技术或者系统,但是在这种概念下,非常容易出现新型的操作系统,通过云原生概念中的 DevOps、CI/CD、Serverless 以及 Container 等技术实现一套从开发、部署、维护到使用都在云端的平台系统,这非常像我们早期在一台计算机上的开发工作模式。而在这些过程中,Kubernetes、Rancher 等容器编排系统发展迅猛,也许我们很快就将见到面向整个云计算中心的操作系统。

国内环境的技术变化

我们宏观的概览了操作系统因为芯片、终端的变化而带来的变化。2021 年,国内的环境也有着不错的进展,11 月中旬,普华基础软件参与的欧拉与龙蜥两大操作系统开源社区都先后宣布正式捐赠给开放原子开源基金会,预示着国内的操作系统阵营凝聚力进一步加强,生态产业也将迎来合力发展。

操作系统的开发是高投入低产出的事业,需要多年的积累和持续的投入,这是任何一个商业机构都无法背负的压力,在这些执着于底层技术的组织和企业中,麒麟软件、普华基础软件等操作系统发行企业都坚持了十数年的时间,在各自擅长的方向上努力突破。普华持续基于国内主流的 CPU 架构开发服务器操作系统,已经可以支撑大多数云服务场景。当这些企业纷纷投入到开源社区中,共同建设国内的操作系统产品,相信在不远的将来,中国的 Linux 发行版操作系统也将在全球领域获得认可,同时也能更好的支撑国内信息技术发展,完成数字化经济建设的底层构建。

未来前夜:从区块链到元宇宙,从数字时代到赛博朋克

未来的样子

2021 年,Facebook 正式更名为 Meta,直指“元宇宙”概念,计划构建一个与现实紧密相联的虚拟世界。随后,“元宇宙”概念在全球甚嚣尘上。

技术从来不是一蹴而就的,技术的发展一直有其必然性和偶然性的特点,听上去这好像是相悖的,但是我们加上一个时间维度就能很容易的看待这个问题,在长期路线上,互联网信息技术确实是在不断模拟构建 1:1 现实世界,我们希望所有的物理操作都趋向于数字化,从而实现自动化提高生产效率,降低生产成本,这几乎是毋庸置疑的。

而在短期发展中,我们并不能判断所憧憬目标场景的哪一部分率先被实现出来引领人们进一步走向未来,也许是触屏手机让每个人都能随时随地连接网络、处理信息,也许是机器人按照人们的程序设计自动完成流程化操作,这些都是终极“元宇宙”世界必不可少的部分。

在这样的场景下操作系统会扮演什么角色呢?如果说整个“元宇宙”就是一个操作系统,也许它的数据是去中心化的,它的算力是区块链模式的,每一个花草的渲染都来自全世界连接到“元宇宙”的设备亦或是人本身。

未来场景相关的技术

我们抵达未来设想的终极“元宇宙”时代还有一段路要走,在这个过程中,会出现哪些与未来场景相关的技术或操作系统?

大胆预测一下,未来云端的统一资源管理系统(云计算中心操作系统)将会成为服务端的解决方案。而在终端 MR 技术下的新型操作系统也将替代个人计算机与智能手机操作系统,当然这需要结合全新的 MR 设备。而在一些专用场景,以 AI 为驱动的操作系统将会逐步替代嵌入式实时操作系统。

在这些方向上芯片技术、AR/VR/MR 技术、云计算/云原生相关技术、AI 技术都将迎来巨大的需求,这些技术的发展也许都会带来新型操作系统的出现。

写在最后:从云到端的操作系统新征程

操作系统发展数十余年,本身就是一个非常宏大的课题,操作系统的技术革新往往伴随着新的技术时代而来。我们无意描述某一项具体技术,因为那确实无法代表整个操作系统技术领域,在宏观角度交流了过去到未来几年的操作系统发展变化及可能性,这样的回顾和畅享对于操作系统领域的参与者来说总是激动人心的。

作者介绍:

董自强,现就职于普华基础软件,主管公司整体产品规划设计,专注于云端操作系统及国内主流芯片的技术研究和产品分析。曾任多家大型互联网/科技公司的产品总监和产品顾问,发表《云原生数字基础建设支撑方案》、《普华的云原生构建之路》等主题报告。普华基础软件成立于 2008 年,一直致力于国内数字化建设的底层技术研发,发展从云到端的操作系统及相关基础软件的开发,包括通用桌面/服务器操作系统、云计算资源管理平台以及汽车领域的实时嵌入式操作系统。

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