“理工脑”的跨学科研究

从想给学生留作业开始

 

1961年，Moler大学毕业，决定到斯坦福大学继续攻读数学专业的博士学位。虽然学业发展顺利，但是当时的Moler已经明白，自己并不是传统意义上的“数学家”——他的特长并不是理论数学研究，而是跨学科、特别是数学和计算机跨学科的研究方向。

 

1965年，Moler教授在斯坦福大学获得博士学位后，继而前往瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）进行博士后研究。ETH为Moler的研究提供了非常好的平台，在这里，他与数学家Leslie Fox等一起设计了一种新的数学方法，这为他今后的技术发展打下基础。

 

在1972年之前，Moler一直留在密歇根大学，后来又到新墨西哥大学任职，任教期间，为了减轻学生编程负担，以便完成数值计算的作业，他设计了学生不需要过多依赖Fortran的LINPACK、EISPACK及Fortran数值计算包。

 

MATLAB最初的诞生要追溯到1979年，而第一个MATLAB（是“Matrix Laboratory”的简称）其实也并不是一种真正的编程语言，而是在20世纪70年代末Moler用Fortran语言编写的，是一个简单的交互式矩阵计算器，建立在LINPACK和EISPACK矩阵软件库的大约十几个子程序之上。只有71个保留字和内置函数。它只能通过修改Fortran源代码和重新编译来进行扩展。

 

实际上，当时Moler正在度过教授专属的“休假年”，当他回到他任职的斯坦福大学，就首次把MATLAB作为教学工具投入使用。

 

高校扶持技术商业化

 

最初，斯坦福的计算机科学家们对这一门新的语言不屑，但学习电气工程的同学发现，MATLAB对于控制理论和信号处理应用极其高效和好用，所以有些学生就把这门编程语言带到了他们工作的公司。

 

第一批商业应用的MATLAB是由斯坦福大学电气工程系所属的子公司生产的。其中一个名叫矩阵X的产品获得了相当大的成功。个人电脑的出现和应用为科学家和工程师提供了新的思路，他们发现交互式电脑可以作为日常工作的一个有用工具。

 

到20世纪80年代末，已有几百份MATLAB出售给大学供学生使用。该软件的普及主要得益于各领域专家为执行专门的数学任务而创建的工具箱。许多工具箱是由斯坦福大学学生开发的，他们在学术界使用MATLAB，然后将该软件带入私营部门。

 

遇见对的合伙人

 

说到MATLAB的商业化历程以及MathWorks的创立，就不得不提到Moler的合伙人Jack Little。Jack Little目前是MathWorks公司的总裁和共同创始人。他是该公司旗舰产品MATLAB的早期版本、信号处理工具箱和控制系统工具箱的共同作者和主要设计师。Little拥有美国麻省理工学院的电子工程和计算机科学学士学位，以及斯坦福大学的电子工程硕士学位。作为IEEE的会员和马萨诸塞州技术领导委员会（Massachusetts Technology Leadership Council）的理事，他撰写并发表了多篇关于技术计算、基于模型的设计、企业家精神和软件行业问题的文章。

 

1983年，Jack Little在一次会议上结识了Moler，Little热情地建议他们一起合作开发一个商业版的MATLAB，用于当时刚刚开始流行的IBM PC电脑上。

 

之后的一年，1984年，Little和Moler合伙创建了MathWorks公司，以实现MATLAB的商业化并继续开发。这一年，MATLAB在拉斯维加斯举行的自动控制会议上首次作为商业产品发布。

 

1985年，商业版的MATLAB取得了第一笔销售业绩，当时麻省理工学院的Nick Trefethen购买了10份复制品，麻省理工学院出资购买并用于研究。公司随后走上正轨，推出了一个新版本，销售业绩也一再创造新高。

 

技术发展持续不断

 

1984年，当MATLAB成为一种商业产品时，该编程语言出现了。该计算器用C语言重新实现，并通过增加用户函数、工具箱和图形而得到极大的增强。它最初可在IBM PC和克隆机上使用；Unix工作站和苹果Macintosh的版本也很快出现。

 

随着时间的推移，MATLAB被重新编写，用于数字设备公司（Digital Equipment Corporation）、VAX、Sun Microsystems创建的早期操作系统，并用于Unix PC。第一个MATLAB编译器是由Stephen C．Johnson在20世纪90年代开发的。

 

除了计算器的矩阵功能外，1984年的MATLAB还包括快速傅里叶变换（FFT）。控制系统工具箱于1985年出现，信号处理工具箱于1987年出现。1987年还出现了对常微分方程数值解法的内置支持。第一个重要的新数据结构——稀疏矩阵是在1992年引入的，而图像处理工具箱和符号数学工具箱都是在1993年推出的。

 

在20世纪90年代末，一些新的数据类型和数据结构，包括单精度浮点、各种整数和逻辑类型、单元格数组、结构和对象被引入。2000年，MathWorks在MATLAB 6中增加了一个基于Fortran的线性代数库，取代了该软件原来用C语言编写的LINPACK和EISPACK子程序。MATLAB的并行计算工具箱在2004年超级计算会议上发布，2010年又在其中增加了对图形处理单元（GPU）的支持。

 

MATLAB计算环境的增强在近几年的发展中占主导地位。其中包括对桌面的扩展，对对象和图形系统的重大改进，对并行计算和GPU的支持、以及 "实时编辑器"，它将程序、描述性文本、输出和图形结合到一个互动的、格式化的文件中。

 

目前，MATLAB已成为一个集算法开发、数据分析、可视化和数值计算于一体的编程环境，被称为“工程师和科学家的语言”。

 

除MATLAB外，MathWorks现在还开发和销售Simulink。Simulink是一个模块化建模环境，面向多域和嵌入式工程系统的仿真和基于模型的设计。针对数据分析、图像处理等专门的任务，MathWorks还提供100多种产品可供选用。

 

创业初期

教授并没有参与公司运营

 

1984年MathWorks成立初期，Moler并没有参与到日常运营当中，只是享有公司的股权。1985年，Moler在看到了计算机行业的飞速发展之后，决定离开学术界，全职在英特尔任职。英特尔当时正在创建一家超级计算机的子公司，用大量并行工作的微处理器制造强大的机器。

 

Moler回忆说，当时他所在的团队最主要的发现是，为超级计算机编写软件的难度，远远大于大家的预期。他花了很多时间，在科学界推广大规模并行计算的想法，他管理团队的方式，更像是管理一个学术研究部门，而不是工业软件开发团队。

 

两年半后，他离开巨头英特尔，加入了硅谷初创公司Easy——当时的Easy是行业历史上最热门、资金最雄厚的新兴计算机公司之一。Easy的目标是利用超级计算机技术和并行向量架构生产一个极高性能的个人工作站。可惜的是，尽管公司构建起一个顶级计算机科学家组成的明星团队，但是最初的蓝图并没有实现。

 

在1989年全职加入MathWorks之前，Moler在英特尔超立方（Intel Hypercube）和Ardent计算机公司（Ardent Computer）工作了5年。

 

如今，在MathWorks，Moler曾担任首席科学家，负责监督公司产品的数学技术方面工作。由于在MathWorks的贡献，Moler于2011年获得西德尼-费尔巴哈奖（Sidney Fernbach Award）以"表彰对线性代数、数学软件和计算科学的有利工具的基本贡献"，次年"由于提高了数学软件的质量，使其更容易获得，并创造了MATLAB"获得计算机先锋奖（Computer Pioneer Award）。

 

公司发展战略与现状

 

自MathWorks成立以来，公司每年均实现盈利。Moler和Little在取得了商业成功之后，并没有选择让公司上市，而是持续私人持股。MathWorks有四大主要商业战略方向：

 

第一是上扎根教育，MathWorks在全球有超过三分之一的人力以及其他资源投入是在教育行业，在全球为超过6500家高校提供校园版软件及24小时技术服务，并支持各种学生竞赛。

 

第二是深耕行业，在汽车、通讯、航空航天以及新能源领域进行深耕合作。

 

第三是深度支持，通过与客户之间的深度合作，帮助客户建立控制系统，进行算法设计和原型开发。

 

第四是广泛合作，MathWorks在全球有超过500家的合作伙伴，基于MATLAB的生态环境开发他们的产品。

 

目前，MathWorks 在全球设有 34 个分支机构，员工总数超过 5000 人，但只提供两个主要的产品系列：MATLAB和一个名为Simulink的嵌入式应用生成相关系统。MATLAB主导了数学软件市场，大多数用户是工业届的的科学家和工程师，特别是汽车和航空公司。

 

相关学术和技术领域发展现状

 

Moler一直以来研究的数值分析(numerical analysis)是数学的一个分支，是一门研究分析用计算机求解数学计算问题的数值计算方法及其理论的学科，以计算机求解数学问题的理论和方法为研究对象。数值分析是为计算数学的主体部分。

 

数值分析依其待求解的问题不同，分为不同的领域，包括函数求值、求解方程、求解特征值、最优化、积分计算、微分方程近似计算等。

 

数值分析的目的是设计及分析一些计算的方式，可针对一些问题得到近似但够精确的结果。例如，计算太空船的轨迹需要求出常微分方程的数值解、对冲基金会利用各种数值分析的工具来计算股票的市值及其变异程度、保险公司会利用数值软件进行精算分析。由于其在不同领域都有广泛应用，数值分析的理论发展及其计算工具的实践应用正吸引着更多数学工作者和算法研究人员贡献其中。

 

最先进的复杂数值分析是极其耗时也易出错的，需要高度熟练的分析人员使用具有各种内置统计和数据分析方法以及测试库的工具，除了MATALB外，还有SAS、SPSS、Mathematica、SciPy生态系统（Python的数值和科学扩展）、R语言和Excel等。这些编程语言和计算工具，在大数据时代的当下正在飞快发展。

 

总 结

 

在将近40年的时间里，一个公司每年都实现盈利，一个产品至今无法被任何竞争品有效替代，思其原因，不外有三：

 

不忘初心：虽然Moler教授在学术界和工业界都成绩斐然且获奖无数，但都没有离开他对数学及其在工程方面应用的初心。

 

牢记使命：专注于数值分析，专注于技术发展，Moler教授在40余年的学术和创业职业生涯中从未停止过自己在高校入职的为教育事业奉献的使命。

 

为人民服务：无论是1984年的MATLAB第一版，还是如今被广泛应用于航天、汽车、金融等各种研究领域的MATLAB R2021a版，在Moler教授的学术指导下MathWorks一直秉承着为使用者服务的深度支持与合作的精神，把客户对于计算内容的目标实现作为核心商业战略。