2019年11月14日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布《国家战略性计算计划（更新版）：引领未来计算》^[1]。与2016年的计划相比，更新版更加侧重于计算机硬件、软件和整体基础设施，以及开发创新的、实际的应用程序和机会，以支持美国计算的未来。

　　一、推动未来计算的发展

　　目标：开拓数字和非数字计算的新领域，以应对21世纪的科技挑战和机遇。随着摩尔定律技术进展放缓、登纳德定律（Dennard scaling）终结、当前技术系统不可持续的功耗需求，计算领域正在快速转变。新技术和新范式的颠覆性创新可能产生于系统的各个层次，从硬件设备到系统架构和软件栈。算法和编程模型的复杂性加剧了上述挑战。此外，应用程序工作流程正随着异构平台集成的新需求，不断发展演变。

　　1、未来计算硬件及预期

　　目前成本性能变化使得前沿计算硬件被商业化和泛在化，如云服务商的出现，这将有助于解决许多具有科学挑战性的问题。未来的计算系统的单个节点将是多核和异构的，并将越来越多探索异构处理器、异构存储器和建模、新的互连技术、专用和节能架构，以及一些非冯？诺依曼计算元素，如基于神经形态和量子计算的技术。

　　2、软件及挑战

　　支持未来计算生态系统的软件必须平衡如下各方面：开发、调试、验证和确认的效率；可用性、可重复性、可管理性、可扩展性和可持续性；以及性能和可扩展性。软件必须能以多模式和高并行方式运行，能有效地管理内存和输入/输出，同时还能支持工作流的组合和执行。新的未来计算技术带来了新的机遇，但也需要新的算法、计算模型、数据、编程环境和软件堆栈。这种转换将需要对软件基础设施的彻底重新思考。此外，软件的迁移也仍然是一项挑战。

　　3、建议

　　（1）为有效利用国家计算生态系统，包括边缘计算、百亿亿次计算等，建议美国政府：①通过多样化的软硬件方法来打造未来计算，利用创新生态系统实现如下目标：引领计算前沿，增加对可用性和生产力的关注，降低研究和应用程序使用的障碍，以及支持边缘资源和数据与传统计算平台的集成，包括新兴的数据驱动应用程序；②提供对新型硬件、软件和系统平台的早期访问，进而识别和支持有潜力的研究方法并减少系统部署时间；③识别并优先开展未来计算所需的软件研究；④鼓励开发、部署和维护软件工具、框架和系统；⑤通过联盟或其他形式的合作伙伴关系，鼓励产业界、学术界和美国政府实验室等协同软件开发和可持续发展。

　　（2）为开发端到端应用程序工作流和集成系统，应对紧迫的科学、工程和国家安全挑战，建议美国政府：①通过与全国各地的利益相关者合作，建立多方充分参与的未来计算社区，确保新的软硬件开发技术能够及时地用于支持应用程序；②鼓励开发新颖的解决方案时利用网络内部和边缘处理的能力，用以处理靠近源头的数据，并将之作为端到端应用程序工作流的一部分；③鼓励应用专家、终端用户、开发人员和研究人员组成多学科团队，开发新的、具备充分安全考虑的综合解决方案，解决紧迫的计算挑战并扩大用户基础；④保障技术/体系结构/系统开发人员对系统的及时访问，开展研究并创建未来计算软件生态系统。

　　（3）为探索计算的关键基础科技限制，最大程度地发挥新型计算硬件、软件、体系结构和应用程序新计算范式的作用，并将此类研究转化为可部署的技术，建议美国政府：①持续、长期地支持计算基础科技研发，以确保美国未来数十年在计算领域的领导地位；②支持将基础研发快速转化为技术实践，以应对需要有效集成先进软硬件才能解决的科学挑战；③通过开发和完善科学网关、门户以及相关工作流工具，支持应用程序软件的集成和互操作，从而找出解决挑战性科技问题的更有效方法。

　　（4）利用多样化的研究机会和计算研发系统，实现繁荣发展，确保国家安全，并为国家提供更坚实的科技基础。

　　二、提供计算的战略基础

　　目标：开发、扩展和推进计算基础架构和生态系统。不论是未来计算的颠覆性架构和技术发展汇聚趋势，或是应用工作流越来越多地将模拟、传统数据分析和机器学习模型集成起来的新兴趋势，都需要一个灵活、健壮、安全、可用、有能力和可持续的计算生态系统。这个生态系统必须将新兴的和未来的硬件平台与必要的软件、数据和网络专业知识集成在一起。

　　1、下一代硬件和软件基础设施

　　新兴的高度多核、异构和节能的体系架构预示着计算能力的革新，从而解决科学与技术挑战。探索新的软件方法以有效地利用硬件来推动科学发展，同样至关重要。而推动软硬件的持续发展需要持续的投资以探索新材料、设备、范式、技术和基础设施，如工厂、试验床、实验系统和供应链等，同时要考虑支持这些新计算范式所需要的服务。

　　2、数据及挑战

　　下一代工具的数据生产以及长尾数据继续呈指数式增长，需要一个分布式但联网的数据存储系统。要解决全球挑战，需要基于公认标准接口的跨学科数据集成，实现数据发现、访问、兼容性和可重用性等。

　　3、网络安全机遇与挑战

　　有效的安全能确保计算机系统可用、资源不被滥用、数据确凿可信、敏感信息得到保护。该领域主要挑战包括：网络安全对系统性能的影响、跨越多个网络和组织的多样化用户群，以及管理层缺乏明确的安全政策。但是，保护知识产权、经济竞争力、国家安全和个人隐私等战略数据资产以及确保数据完整性，对未来计算的采用和成功至关重要。

　　可利用未来计算技术来加速和改善网络安全功能。结合创新分析方法以及人工智能技术，可解决诸如网络攻击检测、用户行为分析和网络映射等问题。基于高性能计算和高带宽、低延迟网络，近实时方法成为可能，使防御者能理解并减少安全漏洞威胁。

　　4、网络基础设施服务机遇与挑战

　　网络基础设施服务将成为未来计算生态系统和应用不可或缺的一部分。用户基于这些服务可确保生产率、减少解决方案制定时间；发现、提供和访问可用的资源和服务；高效率和高效益地使用现有资源和服务，获得相关和及时的专家技术指导；参与开发工作，以确保有效利用不断演进的计算技术。

　　5、人才挑战

　　利用新的计算能力并将其转化为实用和可用的应用形式是一项重要且具挑战性的工作。需要一支具备熟练技能、受过先进技术培训的人才队伍，以预测和利用未来技术与解决方案。这涉及广泛的培训和技能，包括电缆铺设、电力和热管理、研究和开发、市场营销和通信等。培养和维持一支强大的、多样化的人才队伍，不仅需要内部教育或在职培训，随着技术、平台和应用程序的发展，还需在整个职业生涯中不断更新技能。为劳动力培训、再培训，生产力和协作等开发必要的工具也同样重要。最后，在政府、学术界和行业利益相关者之间建立协同效应，制定创造性的激励和奖励机制，对于维持这支人才队伍至关重要。

　　6、建议

　　（1）为提供强大的软硬件基础，建议美国政府：①确保对工厂、试验床、实验系统和原型等基础设施以及材料科学、微波工程和供应链等相关领域的投资，使未来计算成为可能；②支持关键的网络基础设施服务，包括发现、分配、供应、用户支持以及对计算生态系统的监测和管理；③优先开发强大的软件生态系统，包括共享且可持续的软件堆栈、库、框架和服务等，这对于加速访问和使用早期系统至关重要；④减少障碍并扩展高端计算（HEC）使用和应用领域，改善可用性和生产力；⑤鼓励利益相关者开发通用接口，调整解决方案，并为未来计算建立可共享的最佳实践和标准。

　　（2）为优先改善网络安全，建议美国政府：①认识并强调网络安全对计算生态系统的重要性，以及使用先进计算来增强和加速网络安全的重要性；②鼓励社区成员共同努力以提高网络安全意识，提供评估网络安全的工具，建立有效的最佳实践，并制定网络安全控制基准；③开发近实时的、由高端计算和高带宽、低延迟网络支持的方法，以了解和最大程度地减少威胁，并建模和模拟网络环境；④优先实现网络安全态势感知，以便及早发现安全挑战，提供技术基础以打造针对计算的更灵活的网络防御，增强计算使用的网络安全，使系统更安全、更易于使用。

　　（3）为支持计算相关的数据使用和管理，建议美国政府：①制定策略，用于管理、访问研究和应用所需的数据集；②支持端到端数据管理，提高科学工作流的效率，并保障包括数据在内的研究结果的传播；③开发通用接口、知识网络、工具和服务，用于数据发现、访问、传输和处理以及实时或及时处理数据流。

　　（4）未来计算的整体战略方法有赖于具备能力且灵活的人才队伍，建议美国政府在直接管理的同时，也与利益相关者共同努力，打造多样化的人才队伍，实现美国战略计算计划的目标并支持美国创新生态系统引领计算前沿。

　　三、确保合作和协调的方法

　　目标：为未来计算建立和扩大合作伙伴关系，以确保美国在科学、技术和创新方面的领导地位。

　　1、产业界、学术界和美国联邦机构的合作伙伴关系

　　计算生态系统是极其广泛和多样化的，联邦机构、学术界、非营利组织和产业界分别处理和优化这个生态系统的不同方面，通常与各自的任务和优先事项相一致。因此，跨部门伙伴关系可提升效率并创造协同作用，有利于所有利益相关方，应当鼓励和积极促进这种伙伴关系。联邦机构有必要与产业界和学术界进行长期合作，以探索、开发和繁育技术。这些伙伴关系也是招聘和雇用人员的重要渠道。最后，各联邦机构之间还存在一些尚未探索的、可以提高生产力和效率的密切合作机会。

　　2、联邦政府协调

　　未来计算存在于竞争激烈的全球环境中，未来的研发协调工作应确保资源可用并能有效地用于单个机构，以及促成跨机构合作。与此同时，协调工作应当为研发和战略提供适当的场所，以针对未来计算的国家研发和战略等展开保密或非保密讨论。采用分层结构，利用“网络与信息技术研发”（NITRD）计划和其他机构间的工作组与专业知识，以及重点关注计算战略影响的国家科学技术委员会（NSTC）的新设分委会，提供必要的多方面协调。

　　3、建议

　　（1）为鼓励伙伴关系的持续参与，建议美国政府：①促进联邦机构、学术界和产业界开展广泛而深入的合作，充分发挥投资效益，实现协同增效，并推动下一代技术开发。同时也应考虑与国际伙伴进行交流合作；②提供能探索、开发和潜在地部署新技术的长效机制；③鼓励私营部门研究、开发和协调，努力将新方法和新技术整合到机构工作中。

　　（2）为确保有效的协调，建议美国政府：①部署未来计算计划的机构间治理结构，包括：由成员机构高级管理层组成的执行理事会，根据各个机构的任务，理事会可以确定任务的优先级并支持未来计算的目标；成立一个NSTC的新分委会，确保跨机构的协调工作，重点关注未来计算机密级别的战略影响，保持与NSTC NITRD小组委员会以及其他小组委员会的战略一致性，同时编写年度进展报告来帮助理事会实现目标并履行理事会分配的其他职责；现有和特设的工作组或其他实体将由小组委员会确定并设在NSTC NITRD内，根据需要向认可机构报告，以支持小组委员会工作；②跟踪全球在未来计算领域的发展；③将美国未来计算计划与其他主要国家的计划结合起来。          （田倩飞）