CC BY
17
Терехов А.Н.
заведующий кафедрой системного программирования СпбГУ
ant@math.spbu.ru
Роль инноваций в обучении аспирантов в области программной инженерии
Аннотация
Способы подготовки программных инженеров высшей квалификации существенно отличаются от обучения специалистов по информатике (Computer Science). И там, и там нужна серьезная математическая подготовка, особенно в области дискретной математики и теории алгоритмов, но программные инженеры должны, кроме этого, хорошо понимать многие «производственные» вопросы, такие как управление проектами, руководство коллективами разработчиков, оценка качества и т.д. Проблема в том, что в отличие от теоретических вопросов «производственные» темы невозможно освоить «с мелом у доски». В данном докладе говорится о том, как эти проблемы решаются коллективом кафедры системного программирования СПбГУ, причем начиная с далеких советских времен. Основной акцент делается на поддержку инновационной активности аспирантов.
Введение
Еще будучи студентом, я завидовал своим друзьям-алгебраистам, так как им для получения результатов были нужны только карандаш и бумага, а мне - ЭВМ, один час работы которой стоил тогда 200 рублей (при соотношении 1 доллар = 60 копеек), а часто и еще несколько помощников. И в наше время исследования в области Computer Science весьма близки к работам чистых математиков, а вот работы по Software Engineering имеют существенные отличия. Чтобы реализовать транслятор или операционную систему, нужен коллектив единомышленников и довольно много времени (и денег!).
С другой стороны, программные инженеры создают продукты, которые можно продать на рынке, а теоретики - нет. Вот здесь и кроется главная трудность подготовки молодых программистов высокой квалификации. Чтобы сделать что-то высокотехнологичное, а не очередную систему заказа такси, гостиниц, билетов и т.п., нужны опытные тьюторы и немалые финансовые средства, а найти их под «голую идею» очень не просто. Определенные заделы можно и нужно получить в процессе PhD обучения. У нас на кафедре системного программирования СПбГУ студентов старших курсов и аспирантов учат не только наукам в соответствии с международными стандартами (сотрудники нашей кафедры участвовали в переводе на русский язык международных образовательных стандартов [1] и разработали на их основе российские стандарты, по
которым мы и работаем), но и как составить заявку на получение инвестиций, как общаться с инвесторами, как составить бизнес-план, основам бухгалтерии и т.д. Каждый студент знает американскую поговорку: «Если ты такой умный, то почему такой бедный».
Такой прагматичный подход к обучению сложился не вчера, просто в советские времена были другие порядки, по-другому финансировались научные исследования, но и тогда можно было сделать что-нибудь стоящее. Поэтому я начну свой доклад с описания нескольких аспирантских работ тех времен, которые заложили прочную основу нашего коллектива, а закончу кратким перечнем тех работ, которые выполняются моими сегодняшними аспирантами. Надеюсь, изложение в таком «историческом» аспекте продемонстрирует преемственность нашей школы.
Далекая история
В 1968 году доктор физ-мат наук Г.С. Цейтин собрал большую группу студентов и преподавателей мат-мех факультета ЛГУ для изучения и реализации языка Алгол 68, официального сообщения о котором еще не было. Язык был очень трудным, поэтому нам пришлось искать новые методы практически по всем аспектам его реализации, начиная от структуры компилятора. Целевой ЭВМ была ЕС ЭВМ, которой в то время так же не существовало (это клон 1ВМ/360, над копированием которой работы только начинались).
В 1974 году было опубликовано Пересмотренное Сообщение об Алголе 68, язык существенно изменился (в лучшую сторону), тогда же закончилась исследовательская часть нашей работы, для отладки транслятора приходилось каждую неделю ездить в Москву, где было установлено 2 оригинальных 1ВМ/360 (модель 50), купленных в обход американских ограничений.
Работать приходилось ночами, это очень не нравилось старшим товарищам, поэтому очень быстро я стал руководителем всего коллектива. Заключение договоров, торговля за цену договора, отчеты, этапы, выплата премий - все это было очень далеко от спокойной исследовательской работы в университетской лаборатории. Но для меня это было хорошей школой жизни. В 1976 году транслятор заработал, это был первый в СССР транслятор с языка Алгол 68. В 1978 году я защитил кандидатскую диссертацию по теме «Методы синтеза эффективной рабочей программы».
В советские времена мы жили не очень богато, но стабильно, финансирование науки осуществлялось государством на достаточно высоком уровне. Мы выполнили несколько интересных работ, теперь уже мои аспиранты защищали диссертации по полученным результатам. Приведу список аспирантов (далеко не полный), выполнивших такие работы, которые на долгие годы определили направления исследований нашего коллектива.
1. Тобиас Фишер, ГДР (1986) "Разработка технологии программирования на основе специализированных языков, базирующихся
на языке Алгол 68". Алгол 68 был, по-видимому, первым языком, в котором можно было описывать новые типы данных и операции над ними, в том числе, переописывать стандартные знаки операций. Вместе с возможностью раздельной трансляции фрагментов программы (не только процедур) в заданном контексте и накопления контекстов это дало возможность создания специализированных языков для различных предметных областей без реализации новых трансляторов. В диссертации Т.Фишера эти возможности исследовались на примерах задач планиметрии, бухгалтерских расчетов, математической физики и т.д. Заметьте, это было более 25 лет назад, но уже тогда мы занимались тем, что сегодня называют DSL. И до сих пор это направление для нас приоритетно.
2. Н.Ф. Фоминых (1987) "Интерпретатор автокода МВК «Эльбрус» для ЕС ЭВМ". МВК «Эльбрус» - оригинальная советская ЭВМ, ориентированная на алгоритмические языки высокого уровня (HLL computer), ее выпуск задержался более чем на 5 лет, однако ПО для нее разрабатывалось многими организациями в СССР. Эффективная реализация, хорошая диагностика, удобные средства отладки обеспечили этому интерпретатору большое количество пользователей, им активно пользовались даже после начала выпуска МВК «Эльбрус». В советское время получить больше 1,5 месячной зарплаты было нельзя, поэтому при поставке интерпретатора мы стали требовать вместо денег новые ЭВМ. Вскоре наша лаборатория обладала более мощным вычислительным центром, чем весь университет. Это давало нам возможность вести крупные работы, привлекать молодых специалистов, заниматься не только плановыми темами, но и какими-то исследованиями впрок. Так мы впервые получили навыки предпринимательства.
3. Н.Н. Дацун (1987) "Инструментальные средства автоматизации проектирования вычислительных устройств на базе микропроцессорных наборов". На базе Алгола 68 был создан специализированный язык для описания популярных на то время микропроцессорных наборов (структура, контакты и процедуры, которые по входным сигналам вычисляли значения выходных сигналов). Были также разработаны удобные графические средства задания сложных схем, состоящих из базовых микропроцессорных элементов. В результате выполнялись многие проверки корректности схем и автоматически генерировался функциональный интерпретатор схемы в целом. В каком-то смысле эта работа стала предтечей наших исследований по CoDesign и HaSCoL - высокоуровневым средствам проектирования кристаллов.
4. А.П. Попов (1987) "Методы реализации языка Ада". Это была первая реализация языка Ада (стандартного языка Министерства обороны США) в СССР. Первоначально система работала на ЕС ЭВМ, а через несколько лет была перенесена на ПЭВМ. Времена были суровые, наши военные тщательно отслеживали все американские новинки, по закрытым каналам нам достали официальный сертификационный набор тестов
(более 2000 штук). В этих тестах мы нашли 15 ошибок и написали об этом авторам (адрес был известен). Через 2 месяца получили ответ: «Спасибо, вы абсолютно правы, это наши ошибки, но скажите, откуда вы взяли эти тесты?».
5. С 1980 года коллектив нашей лаборатории начал активное сотрудничество с промышленными организациями. Оказалось, что методы программирования и способы организации коллективов разработчиков, принятые в Университете, никак не подходят для больших коллективов, работающих в промышленности. Мы разработали несколько специализированных языков и трансляторов для них (более 25), средства слежения за ходом разработки, документирования, отладки и установки на целевые ЭВМ. Именно тогда (в 1984 году) мы впервые оценили преимущества проектирования ПО в виде графических диаграмм (SDL, CCITU Z.100). Разработанные нами технологии стали активно использоваться, в 1991 году я защитил докторскую диссертацию «Технологии программирования встроенных систем реального времени». Работы по графическим технологиям и сегодня для нас очень важны.
6. А.А. Бульонкова (1993) "Управление данными во встроенных системах".
Журнализация и тому подобные способы восстановления баз данных после сбоев не подходят для систем реального времени, так как могут продолжаться заранее не определенное время. А.А. Бульонкова спроектировала и реализовала систему управления базами данных на основе стратегии тщательного замещения, когда ни один блок не пишется на диск на старое место, в результате, откат транзакции ничего не стоит -все блоки на месте. Внутри транзакции составлялся цепной список из блоков, в которых информация заменилась. Самым трудным было обеспечение переноса всего этого списка в рабочую базу данных одной физической записью на диск.
7. В.В. Парфенов (1995) "Проектирование и реализация программного обеспечения встроенных систем с использованием объектно-базированного подхода".
В это время объектно-ориентированный подход практически не применялся при реализации встроенных систем реального времени (по крайней мере, в России). Нам удалось придумать эффективную реализацию вычислительного процесса, при которой объекты относительно долго работают со своими локальными данными, а затем по конвейеру передают результаты своей работы следующим объектам. Технология RTST создания ПО телефонных станций, разработанная в диссертации В.В. Парфенова, с успехом используется до сих пор. В этой работе мы впервые познакомились и освоили подход «программирование от данных».
8. Ю.К. Лаврова (1995) "Методика разработки кодогенерирующей части трансляторов на примере семейства трансляторов с Алгола 68". Наш базовый транслятор с языка Алгол 68 для ЕС ЭВМ еще в семидесятые
годы был написан на самом Алголе 68 и переносился на другие ЭВМ методом раскрутки. Но, естественно, генерацию эффективного кода для каждой ЭВМ приходилось делать заново. Ю.К. Лаврова сделала это для ПЭВМ. Даже я удивляюсь, но до сих пор 1-2 раза в месяц нам приходят запросы на получение копии этого транслятора и документации к нему.
Недавняя история
1. Л.А. Эрлих, США (2002) "Технология реинжиниринга и компонентизации устаревших программных комплексов".
С начала 1990-ых годов мы работали по заказам нескольких компаний из Северной Каролины (США), разрабатывая инструментальные средства для восстановления утраченных знаний об устаревших программах и переводу их на новые платформы. Трижды Gartner Group признавала наши продукты лучшими в мире в областях Legacy Understanding и Legacy Transformation. Один из наших заказчиков, американец родом из Одессы Лен Эрлих, решил защитить диссертацию по нашим совместным разработкам. Мы занимались реинжинирирнгом 20 лет, но лишь недавно стали получать заказы на реинжиниринг от российских банков и предприятий.
2. Д.Ю. Булычев (2004) "Прототипирование встроенных систем на основе описания макроархитектуры".
Более 15 лет мы работали над темой CoDesign - как создать процессор, оптимизированный на заданный класс задач. Д.Ю. Булычеву удалось найти интересное решение этой задачи, причем он довольно далеко отошел от первоначальных идей. Сейчас разработанный им язык HaSCoL (Hardware and Software CoDesign Language) успешно используется при проектировании заказных микросхем. Мы потратили 6 лет и более $0.5 млн, чтобы превратить этот научный результат в промышленную технологию. Сегодня у нас уже есть опыт разработки гибких кристаллов (FPGA), причем программы на языке HaSCoL получаются в 5-6 раз короче, чем на традиционном языке VHDL и намного более легкими в понимании и сопровождении. Сейчас мы работаем над созданием Fabless-компании в надежде получить конкурентное преимущество при реализации наиболее трудной компоненты кристалла - поведенческой модели до уровня RTL (Register Transfer Level).
3. А.Н. Иванов (2005) "Автоматизированная генерация информационных систем, ориентированных на данные".
Наш опыт применения графических диаграмм, накопленный в разработке встроенных систем реального времени, мы попытались применить при реализации информационных систем для нашего Университета (Абитуриент, Студент, Аспирант, Кадры и т.п.). Нам удалось придумать варианты UML для описания и автоматической генерации баз данных, сложных форм ввода/вывода, определения ограничений и задания бизнес-правил.В результате, более 15 систем реализовано практически без единой строчки кода, написанной вручную. Сейчас этими системами
пользуются более 20 российских университетов.
Из приведенных списков видно, что в защитах диссертаций есть большие перерывы. В начале 1990-ых годов государство перестало финансировать науку, даже в интересах военных, мы буквально голодали, много моих учеников уехало в США и другие западные страны. Никто из молодых не хотел заниматься наукой, так как понимали, что на зарплату ученого не прожить. Чтобы сохранить коллектив, мы создали свое предприятие ТЕРКОМ (ТЕРехов и его КОМанда) и начали активно искать западные заказы на разработку ПО. С самого начала я настаивал, что мы будем брать только технически сложные заказы, где можем продемонстрировать наши математические знания и опыт предыдущих лет. От простых, даже выгодных, заказов мы отказывались (что поначалу вызывало гнев молодых сотрудников).
Нам удалось заключить серию договоров с итальянской компанией ITALTEL (Милан), оказалось, что разработка электрических схем и кристаллов - это тоже во многом математическая работа. Мы разработали первый в Европе АТМ коммутатор, средства управления большими телекоммуникационными сетями, выполнили несколько интересных исследований, но диссертаций никто из моих коллег не защитил. Такие были времена.
Как видно из предыдущего изложения, одним из наших главных научных направлений была реализация трансляторов. К началу 90-ых годов в России все стали пользоваться трансляторами фирм Borland и Microsoft, поток заказов иссяк. Я уже начал подумывать о переквалификации многих сотрудников, хотя терять опыт и заделы было безумно жаль, но тут к нам обратились американцы из компании SEER Technology (Северная Каролина). По их словам, в мире накоплено «тонны» программ, написанных на COBOL, PL/I, Adabas Natural и других старых языках. Эти программы все еще важны для бизнеса, но очень сложны и дороги в сопровождении, поэтому их нужно перевести на новые программные платформы, для чего нужно применять многие техники трансляции. Так как старые языки имеют множество неприятных черт, пришлось разрабатывать и новые приемы трансляции. Мы достигли определенных успехов, получили заказы еще от двух компаний из Северной Каролины - Relativity Technologies и Blue Phoenix. По реинжинирингу было защищено более 40 дипломных работ и 3 кандидатских диссертации, из которых я упомянул только одну - ее защитил один из наших американских заказчиков.
Исследования, проводимые в настоящее время
Нам удалось сохранить коллектив и даже расширить его молодыми преподавателями и исследователями. Существенно более активную позицию занимают и студенты нашей кафедры. Чтобы облегчить сближение образовательного процесса с индустрией, мы более 10 лет назад начали строить систему студенческих исследовательских проектов.
Студентам второго курса предлагается 10-12 тем для исследования, темы могут быть самыми разными - от игр до технологий реинжиниринга, но организация студенческих коллективов базируется на строгих правилах, принятых в промышленности (жесткое планирование, еженедельные отчеты, контроль версий, оценка качества, формирование коллектива и так далее). Каждой темой руководят 2-3 сотрудника (тьютора) из разных ИТ-компаний Санкт-Петербурга, в том числе и из нашей компании Ланит-Терком. Тьюторы не только отслеживают выполнение работ, но и ненавязчиво объясняют студентам правила игры, принятые в промышленности, например, обязательность быстрого ответа на каждый email, поддержание дружеской обстановке в коллективе, личная ответственность за выполнение своего участка работы. Лучшие студенты приглашаются на летнюю школу, где они в течение месяца по 4 часа в день работают в существенно более плотном режиме, чем в студенческих проектах. В результате, действительно хорошие студенты получают сертификат, который важен при приеме на работу практически в любую ИТ-компанию нашего города. Многолетняя практика показала, что сотрудники, прошедшее такое регулярное обучение в студенческих проектах, работают в компании в среднем более 7 лет. Сотрудники же, которые пришли «с улицы», - не более двух лет. Таким образом, практика дополнительного производственного дообучения важна не только с точки зрения нахождения кадров, но и их удержания [2].
Сегодня ситуация с финансированием в России существенно улучшилась, появилось множество венчурных фондов, активно работают Российский фонд фундаментальных исследований, фонд Бортника, фонд «Сколково» и другие фонды. Но уровень зарплат научных работников все еще не сравним с возможностями западных ученых. Особенно плохо обстоит дело с фундаментальными исследованиями, например, на те средства, которые предоставляет РФФИ совершенно невозможно выполнить серьезное исследование в области программной инженерии.
В этих условиях нужно искать какие-то новые формы финансирования научных исследований. Несколько раз нам удалось выполнить достаточно серьезные исследования за деньги заказчиков сложных проектов. Интеллектуальная собственность на результирующий продукт принадлежит заказчику, но опыт, знания, какие-то новые подходы к решению задач остаются у нас.
Сейчас мы больше полагаемся на решение сложных проблем путем разбиения на относительно независимые подзадачи с получением финансирования на каждую из них из разных источников.
1. Тимофей Брыксин. МетатехнологияQReal.
Это прямое продолжение работ Парфенова и Иванова. Однако, сегодня мы больше верим в DSL (Domain Specific Languages), так как для многих предметных областей можно придумать специализированные языки, программировать с помощью которых существенно легче, чем на
универсальных языках. Разумеется, реализовывать для каждого нового DSL графические редакторы, репозитории, генераторы целевых языков и т.п. очень накладно, поэтому актуальной является задача разработки метатехнологии, т.е. технологии, с помощью которой можно создавать другие технологии, «заточенные» на заданную предметную область. Для коммерциализации этой технологии мы создали специальное предприятие, которое уже получило статус резидента Сколково.
2. Юрий Литвинов. Технология QReal:Robots.
Научить школьника или студента младших курсов программированию - трудная задача, которая существенно облегчается, если обучаемый видит результаты своей работы. С этой точки зрения, роботы являются идеальным инструментом для обучения программированию. В России очень популярен конструктор Lego Mindstorms, но его штатные средства программирования обладают массой недостатков. Ю.Литвинов на базе метатехнологииQReal разработал удобные графические средства, которые уже оценили преподаватели и руководители кружков робототехники.
Работы по QReal и QReal:Robots являются неиссякаемым источником тем для исследования, только в прошедшем учебном году было защищено более 15 курсовых и несколько дипломных работ по этой теме, причем спектр исследований очень широк - от рисования диаграмм жестами (с помощью мышки или стилуса) до средств описания формальной семантики для автоматической генерации отладчиков.
3. Роман Лучин. Новый конструктор роботов.
Конструктор Lego Mindstorms предназначен для школьников 5-6 классов. Решать с его помощью более сложные задачи невозможно, низкое качество датчиков, слабый контроллер, слабые средства программирования не позволяют применять его в старших классах и, тем более, в университетах. Поэтому мы решили разработать существенно более мощный контроллер и свой набор механических деталей и покупных датчиков. Разумеется, средства программирования реализуются на базе QReal. Для этой темы уже найдено 2 инвестора, надеемся на скорый результат.
4. Валентин Оносовский. Ubiq Mobile.
В настоящее время развитие мобильных интернет-сервисов и средств их разработки происходит весьма неравномерно, концентрируясь в отдельных узких областях быстрого роста и оставляя в стороне обширные ниши с огромным рыночным потенциалом. В настоящее время подавляющее большинство мобильных приложений создается для платформ iOS и Android, что подразумевает высокие требования к сетевой инфраструктуре и высокую степень «продвинутости» пользователей.
В результате «обойденными» оказываются обширные категории пользователей, живущих в условиях бедной мобильной инфраструктуры, либо не имеющих возможности покупать дорогие смартфоны. Кроме того,
отсутствуют приемлемые технологии для класса мобильных сервисов, которые должны работать «всегда и везде», на различных телефонах и в любых условиях, где есть хоть какая-то мобильная связь.
В платформе UbiqMobile основная часть бизнес-логики приложений концентрируется на сервере, а на мобильном устройстве работает универсальный тонкий клиент (своя версия для каждой мобильной платформы). Мобильные устройства, таким образом, выступают в роли «интеллектуальных графических терминалов», обмениваясь данными с сервером по оригинальному двоичному протоколу (над TCP/IP), специально оптимизированному для работы в мобильных сетях, в том числе и медленных. Использование собственного протокола в сочетании со специализированными алгоритмами обработки данных на обеих сторонах обеспечивают значительную экономию мобильного трафика (по сравнению с веб-приложениями), адаптивность к скорости соединения и возможность восстановления соединения после кратковременных разрывов. Приложения достаточно интерактивны, в частности, возможен push-режим по инициативе сервера. Готовится заявка в Сколково. И здесь средства программирования разрабатываются на основе QReal.
5. Александр Пименов. Компьютерное стереозрение.
Система основана на использовании информации о движении объектов в кадре и значений параллакса для изображений, полученных с двух камер. На основе этой информации строится карта глубин. Нам удалось разработать эффективные алгоритмы, которые легко масштабируются в зависимости от применения, используемых камер и т.п. Основные применения - это автомобили (распознавание препятствий) и бытовая техника (управление жестами). Наша система полностью пассивна, в то время как существующие конкуренты основаны на принципе радара, т.е. работают на отраженном сигнале, что создает массу трудностей и ограничений. Эта тема первой из наших работ получила статус резидента Сколково и грант в несколько миллионов долларов.
6. Константин Амелин. Управление группой беспилотных летательных
аппаратов.
Небольшие беспилотные самолеты с простейшим автопилотом уже есть на рынке. В задачу нашей группы входит разработка адаптивного управления группой таких самолетов на базе мультиагентных технологий. Самолеты в полете обмениваются информацией, могут менять распределение задач между собой в случае потери части самолетов, переходить на более высокие или низкие высоты полетов в зависимости от силы ветра в каждом слое и т.д. Задачами таких групп являются видеонаблюдение, разведка, отслеживание состояния лесов с помощью различных датчиков и многие другие. По этой теме уже получено 2 гранта фонда Бортника, имеется соглашение с инвесторами.
Заключение
В советские времена нам удавалось создавать трансляторы, которые
в разы превосходили западные аналоги (по времени трансляции, длине объектного кода, скорости счета и т.д.). Однако когда мой английский коллега со звучной фамилией Маркс (руководитель разработки трансляторов с языка PL/I) узнал, что мы делали транслятор с Алгола 68 более 8 лет, он сказал, что его давно бы выгнали с работы. Мы жили в других условиях, не подозревая, что такое «железная рука рынка», писали статьи и книги, продумывали лучшие решения.
Сегодня мы живем в тех же условиях (или почти в тех же), что и западные коллеги. Можно сколько угодно плакать, вспоминая неторопливые, спокойные советские времена, но от этого ничего не изменится. Именно поэтому я требую, чтобы каждый аспирант нашей кафедры составил грамотную заявку на получение инвестиций (будет ли успех - это уже как получится), был способен обосновать, чем его результаты лучше известных, мог оценить рынки сбыта и разработать разумный бизнес-план. Не у всех аспирантов это хорошо получается, но даже по приведенным примерам видно, что прогресс в понимании реалий сегодняшней жизни есть.
Литература
1. Рекомендации по преподаванию программной инженерии и информатики в университетах, перевод с английского, Интуит. М., 2007
2. Andrey Terekhov, Karina Terekhova, "The Economics of Hiring and Staff Retention for an IT Company in Russia", Proceedings of 4th, International Conference SEAFOOD, Springer, 2010
