第二天,鳳凰軍工廠,一間剛剛改造完成、配備了當時國內最先進投影設備和屏蔽裝置的特級保密會議室。
姜晨再次召集了周啟明教授等一批國內自動化控制、計算機體系結構和軟件工程領域最頂尖的專家。
這次的范圍更小,除了周教授等幾位老資歷的學術泰斗,更多的是年富力強、思想活躍的中青年骨干,其中不少人還參與過“磐石”計劃,算是姜晨的老熟人。
氣氛比昨天在招待所時少了幾分沉重,多了幾分期待和探究。
昨天姜晨提出的“集中力量主攻數控系統”的提議和“彎道超車”的豪言,已經在小范圍內傳開,吊足了大家的胃口。
他們都想知道,姜晨葫蘆里到底賣的什么藥。
姜晨沒有寒暄,直接開門見山:“各位老師,各位同志,昨天我們分析了當前的困境,結論很清楚,跟著國外的路子走,我們死路一條。”
“發那科、西門子他們在傳統數控技術上積累了幾十年,專利壁壘密不透風,我們想模仿都找不到門路,更別說超越了。”
他走到電子白板前,這也是鳳凰軍工廠根據姜晨提供的思路,用投影儀和特殊觸控膜改造的早期產品,調出一張簡化的技術對比圖。
“所以,我們必須換道。找到一條他們尚未形成絕對壟斷,同時又符合未來技術發展趨勢,并且能夠發揮我們自身優勢的道路。”
所有人都屏住了呼吸,等待著姜晨揭曉答案。
“我經過反覆的思考和……嗯……大量的計算機模擬推演,”姜晨巧妙地掩飾著系統的存在,“認為有三個方向,值得我們重點突破。”
他伸出第一根手指:“第一,處理器架構。”
“我們為什么一定要用國外那些復雜、臃腫、還死貴的CISC(復雜指令集)處理器,或者他們嚴格限制出口的高性能x86芯片?RISC(精簡指令集計算)架構,大家應該不陌生吧?”
他看向人群中一位戴著黑框眼鏡、頭發略顯稀疏的中年專家,笑了笑:“王教授,‘磐石’計劃后期,我們不是已經驗證了RISC架構在特定領域的潛力嗎?”
被點名的王志宏教授,是中科院計算所的骨干,也是“磐石”計劃CPU設計團隊的核心成員之一。
他扶了扶眼鏡,點頭道:“是的,姜總師。我們在‘磐石’項目中,確實設計和驗證過一款基于MIPS指令集的32位RISC處理器原型,主要用于光刻機內部的一些高速控制和圖像處理。”
“相比CISC,RISC指令簡單、長度固定、便于流水線執行,功耗也低。當時的結論是,在需要高吞吐量和低延遲響應的實時控制領域,RISC確實有潛力。”
“潛力?我看是大有可為!”姜晨語氣加重,“數控系統,什么最重要?”
“實時性!精度!響應速度!”
“RISC指令簡單,執行周期確定,中斷響應快,這不正是我們數控系統最需要的特性嗎?而且,指令集簡單,意味著我們可以更快地設計出自主可控的CPU核心,甚至可以根據數控需求,定制一些專用指令!”
“‘磐石’的經驗證明,我們有這個基礎,有這個能力!與其去仿制別人復雜的、還處處設限的CISC或x86芯片,不如我們自己開辟一條RISC的道路!用我們自己的‘龍芯’(沿用之前的代號),來驅動我們自己的數控大腦!”
王志宏教授的眼睛瞬間亮了起來。
他之前一直覺得RISC更適合工作站、服務器,沒想到姜晨直接點破了它在嵌入式實時控制領域的巨大優勢。
“對啊!指令周期確定,中斷延遲低……這對于需要微秒級響應的伺服控制來說,簡直是量身定做!而且指令集簡單,功耗低,也更容易做到工業級的穩定性和抗干擾!姜總師,這個思路……高!”
其他搞硬件的專家也紛紛點頭,RISC這條路,似乎真的可行!
姜晨伸出第二根手指:“第二,運動控制算法。周教授昨天分析得很透徹,傳統的PID控制,在高速高精度、多軸聯動下,必然遇到瓶頸。指望靠PID去完美控制五軸聯動加工一個復雜葉片,那跟用算盤算導彈彈道差不多,不是不行,是太難,效果還不好。”
他看向周啟明教授:“周老,您是控制理論的泰山北斗。近年來國際上出現的一些新的控制理論,比如模型預測控制(MPC)、自適應控制、模糊控制,甚至神經網絡控制(雖然還很早期),您肯定都有關注吧?”
周教授點點頭,眼神里閃過一絲凝重,他皺了皺眉頭,:“是的,這些理論我們一直在跟蹤研究。MPC通過建立被控對象的模型,預測未來的系統行為,進行滾動優化控制,理論上可以獲得比PID更好的動態性能和魯棒性。自適應控制則可以在系統參數變化或存在不確定性時,自動調整控制器參數……這些理論都很優美,數學上也證明可行,但是……”
他頓了頓,面露難色:“但是,這些先進算法的計算量太大了!特別是MPC,需要在每個控制週期內求解一個復雜的優化問題,對處理器的計算能力要求極高!以我們現有的芯片水平,要在微秒級的實時控制回路里實現這些算法,簡直是天方夜譚!”
“這就回到了我們第一個問題。”姜晨笑了,“如果我們有了自主的、高效的RISC處理器呢?它的計算能力或許比不上頂級的CISC,但執行效率高,實時性好,而且我們可以為這些特定算法進行硬件加速優化!”
“更重要的是,”姜晨話鋒一轉,“誰說我們一定要完全照搬國外那些復雜到極點的‘完美’算法?系統(他口中的‘系統’指鳳凰廠的超算模擬平臺)的模擬結果表明,通過對模型進行簡化、采用更高效的數值求解方法、甚至結合一些經驗性的規則(模糊控制),完全可以在現有或近期可實現的硬件平臺上,實現這些先進算法的‘工程化’版本!”
“性能或許達不到理論最優,但絕對比純粹的PID強得多!”
“還有,前瞻控制(Look-ahead)!”姜晨在白板上畫出一段曲線和速度規劃圖,“這個技術并不神秘,就是提前讀取多段程序,根據拐角、曲率變化,預先規劃好加減速曲線,避免速度突變,保證加工過程的平滑。這更多的是一個軟件實現和緩存管理的問題,對硬件要求不高,但對提升高速加工的表面質量和效率至關重要!我們必須把它作為標配!”
“樣條插補(Spline/NURBS Interpolation)也是一樣!加工復雜曲面離不開它。數學原理是公開的,關鍵在于如何高效、精確地在實時系統中實現!這些都是軟件層面的硬骨頭,需要我們下大力氣去啃!”
周教授和他的幾個得意門生聽得兩眼放光。
姜晨提出的思路,既指明了超越PID的先進方向,又給出了工程實現的可能性(依賴于RISC處理器和算法優化)。
“模型簡化……高效求解……前瞻控制……樣條插補……如果真能把這些結合起來,那我們的系統性能,絕對能提升一個檔次!甚至在某些特定應用上,不輸國外!”一個年輕的副教授激動地說。
姜晨伸出第三根手指,也是最后一點:“第三,體系架構。這一點,我認為是最重要,也是我們最有可能實現‘彎道超車’的地方!”
他看向一位穿著格子襯衫、戴著厚厚眼鏡、看起來有些“技術宅”氣質的女士,她是從中科院軟件所請來的專家,國內操作系統和軟件工程領域的權威,姓李,李慧蘭研究員。
“李老師,您對國外數控系統的封閉性怎么看?”
李慧蘭推了推眼鏡,語氣冷靜但透著一絲銳利:“極度封閉,極度不利于我們的學習和發展。發那科就不說了,完全是個黑箱。”
“西門子看似開放,提供了二次開發接口,但其核心的NC內核、PLC內核是絕對保密的,我們永遠只能在他們搭好的臺子上跳舞,永遠無法觸及核心,更無法保證系統的自主可控和信息安全。”
“沒錯!”姜晨用力點頭,“所以,我們的‘紅星’(暫定的名字)系統,從一開始,就必須走一條完全不同的道路——開放!模塊化!軟件化!”
“我們要基于標準化的硬件總線,比如國際上開始流行的VME總線,或者我們國內正在預研的某些標準,實現硬件接口的標準化、通用化。控制板卡、伺服驅動器、IO模塊,都應該像搭積木一樣,可以靈活插拔、組合、替換!”
“軟件層面,我們要基于一個自主可控的、高可靠的實時操作系統內核,可以先基于某些開源內核如RTEMS進行裁剪和加固,最終目標是完全自研,將數控功能劃分成獨立的、高內聚、低耦合的功能模塊——比如插補模塊、運動控制模塊、PLC模塊、人機交互模塊等等。模塊之間通過標準化的接口進行通信。”
“這樣做的好處是什么?”姜晨自問自答,“第一,便于分工協作和并行開發。不同的團隊可以負責不同的模塊,互不干擾。第二,便于系統的升級和維護。哪個模塊落后了,或者有Bug,只需要替換或升級這個模塊,而不需要推倒重來。第三,也是最重要的,為未來的智能化、網絡化打下基礎!開放的架構,才能方便地接入新的傳感器、新的算法、新的應用!才能形成我們自己的、充滿活力的數控技術生態!”
李慧蘭研究員的眼中爆發出異樣的光彩。
作為軟件專家,她深知開放式、模塊化架構的巨大優勢和長遠意義。
“軟硬分離……分層解耦……標準化接口……姜總師,您這個思路,完全符合現代軟件工程的發展方向!如果真能實現,那我們的系統,在架構上,就直接站到了世界前沿!甚至比西門子還要徹底!”
“RISC處理器提供高效實時的‘心臟’,先進算法賦予‘大腦’智慧,開放式架構構建靈活強健的‘神經系統’!”姜晨在白板上畫了一個清晰的架構圖,總結道,“這就是我為‘紅星’數控系統規劃的技術路線!一條不同于發那科、也不同于西門子的、屬于我們龍國自己的道路!”
會議室內,鴉雀無聲。
所有專家都被姜晨描繪的這幅藍圖深深震撼了。
這不是簡單的模仿,更不是低水平的復制。
這是一條目標明確、邏輯自洽、技術上具有前瞻性、工程上又似乎可以夠得著的、完整的自主創新之路!
雖然姜晨沒有給出任何一張具體的圖紙,沒有提供任何一行現成的代碼。他只是像一位高明的棋手,布下了幾個關鍵的“棋子”,指明了幾條可能的“通路”。
但他提供的這些“提示”與“方向”,卻如同撥云見日,瞬間驅散了籠罩在專家們心頭的迷茫和絕望。
原本看似高不可攀的技術壁壘,似乎也變得不再那么遙不可及。
因為姜晨將他們遇到的一個復雜問題一步步拆開了,而每一步小的問題他們都可以理解并解決。他們要的,就是一個大的方向。
“RISC……對啊!指令簡單,速度快,適合實時控制!咱們怎么沒想到把‘磐石’的架構往這個方向優化!”
王志宏教授第一個反應過來,興奮地拍著大腿。
“前瞻控制……預讀多段程序,平滑速度曲線……這個思路如果能實現,加工效率和精度至少能提升一個量級!”周啟明教授也激動得站了起來,彷彿看到了困擾自己多年的難題有了新的解法。
“開放式架構……軟硬分離……這才是未來!咱們再也不能被發那科那種‘鐵盒子’束縛住了!我們要搞出中國人自己的、能不斷進化的數控系統!”李慧蘭研究員更是握緊了拳頭,眼中充滿了斗志。
雖然姜晨沒有給出完整的“答案”,但他指出的方向,無疑是正確的、可行的,并且是充滿潛力的。
一條屬于龍國自己的、旨在實現跨越式發展的高性能數控系統之路,在這一刻,被清晰地照亮了。