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计算科学确保美国的竞争力
致总统的报告
2005年6月
计算科学:
确保美国的竞争力
总统信息技术顾问委员会
封面图片
龙卷风—一种骇人的、经常具有破坏性的北美气候的季节性特征—因很难精确地对它做出预报而声名狼藉,因为科学家们还没有完全弄清创造并驾驭龙卷风的力量间复杂的相互作用。
众所周知,最猛烈的龙卷风是产生于一种叫作超单体风暴的旋转雷暴。
但最多有20%到25%的超单体风暴会生成龙卷风,而其中不超过10%的超单体风暴会产生158到318英里\小时的风速而产生最有破坏性的F3、F4、F5级龙卷风。
一些龙卷风的破坏力取决于它们在陆地上停留的时间(从45分钟到几小时不等),这会产生长的破坏带。
这样猛烈的、周期长的龙卷风叫作“长轨龙卷风”。
计算科学通过高端的计算能力能够让研究者研究到龙卷风的内部去,调查龙卷风起源到发展的整个过程中温度、湿度、气流的紊乱、气压和风之间复杂的相互影响。
封面图片取材自一个产生长轨龙卷风的超单体风暴的第一个科学模拟结构。
这个模拟结构是由来自伊利诺斯大学大气科学系、UIUC、国家海洋和大气局国家强风暴实验室的科学家们以及一个国家超级计算应用中心的演示团队所共同完成的。
该模拟结构的产生是基于从2003年横扫南达科他州的曼彻斯特的F4风暴所采集的数据。
这个模拟结构由6兆兆数据组成,运用了3D伸展网格使研究者能聚焦于风暴内部的力量作用,在这里风暴用3个小时、在100×100×25公里的区域里形成了龙卷风。
封面的图片将龙卷风强度渐增过程中的数据形象化。
相互缠绕的气流中橘红色表现的是上升气流,蓝色表现的是下降气流,以此表现了风暴中的气流轨迹。
红色区域的低压漩涡描绘了正在形成的龙卷风(旋涡变成橘红色,龙卷风强度的最高点是黄色的)。
在地平面上,倾斜的圆锥体代表风速和方向。
温度的不同来用颜色来表示,它们表现了平面的分界点,在龙卷风的底部冷热空气相互作用。
封面图片从上部到底段表现了超单体风暴的外部大气形状、风暴内部气流紊乱所形成的环状气流、独特的低压旋涡(橘红色的调子表明了强度的增加)以及龙卷风最后的瓦解。
这个项目由NSF、NCSA、NOAA以及英特尔公司所资助。
模拟结构部分:
RobertWilhelmson为主管,成员为MatthewGilmore、LouisWicker、GlenRomine、LeeCronce和MarkStraka。
形象化部分:
DonnaCox、RobertPatterson、StuartLevy、AlexBetts和MatthewHall。
详情请见:
http:
//redrock.ncsa.uiuc.edu/CMG/.
版权声明:
这是美国政府的研究成果,为公众所有。
凡分发及复制必须注明NCO/ITR&D版权所有。
引用任何图片或数据必须注明提供者,若无提供者可引用,需注明引用自NCO。
致总统的报告
计算科学:
确保美国的竞争力
总统信息技术顾问委员会
2005年6月
总统信息技术顾问委员会
2005年5月27日
尊敬的乔治·布什先生
美国总统
白宫,华盛顿20500
亲爱的总统先生:
总统信息技术顾问委员会很荣幸地向您呈上附件的报告:
《计算科学:
确保美国的竞争力》。
计算科学是运用高级计算能力来理解和处理复杂问题的学科,已经成为对科学领导力、经济竞争力以及国家安全都至关重要的一门科学。
总统信息技术顾问委员会相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一,因为它对整个社会的进步都是十分重要的。
计算科学为研究者提供了一个独特的窗口,他们可以通过它来研究那些不切实际或很难解决的问题,例如对人脑的生物化学处理的科学研究、宇宙形成的原动力研究、传染疾病的传播分析、恐怖袭击的空投毒弹、为高经济效益提供高级工业方法如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验更有效的机翼计算试验。
然而,目前只有很小一部分有潜力的计算科学领域被实现,这就影响了美国在科学和工程技术中的卓越地位。
反映在联邦调查及发展组织结构中的严格的学术领域限制是阻碍进步的原因之一。
这种限制阻碍了多学科研究和对计算科学至关重要的教育方法的发展。
我们的报告建议:
大学和联邦研究与发展署都必须从根本上改变这种组织结构来促进和顾虑合作研究。
此外,该报告希望国家科学技术委员会能委派国家科学学会对为促进计算科学发展而做出的在行政职务等方面的改革创新进行有效地调查。
联邦政府、学术界和工业生产间的计划和合作不利是影响计算科学发展的另一个因素。
目前的状况表现为目标短浅,战略计划有限,成员间合作过少。
为了弥补这一不足,该报告建议国家科学技术委员会委派国家科学学会为计算科学以及依赖于计算科学的各种学科规划一个或多个研究任务,以为它们制订一个长期的发展目标。
这样的路标能够带来更大的技术进步,这是使国家在今后的日子里保持竞争力的领导地位、发展计算科学所必需的。
作为这项国家性成就的一部分,我们建议联邦政府能建立一个包括并能将计算科学软件维护中心、数据软件库及高端计算领导中心与其他部门和研究者联系在一起的基层组织。
我们还建议我们的计算科学研究与发展署能够重新平衡而将注意力集中在改进的软件、高持续性的系统和集中于传感器和数据的应用软件。
我们很荣幸能有这个机会向您提出我们在计算科学上的一些建议,计算科学是国家保持长期领导地位的根本。
我们相信委员会在计算科学上所做的工作以及我们早先在卫生保健信息技术及网络安全的报告能对美国如何在世界上保持科学技术的领先地位、如何改善卫生保健系统以及如何保证信息基层组织安全方面提供有用的建议。
这些报告说明了信息技术研究和发展对应我们的经济竞争力、生活质量和国家安全是多么的重要。
很荣幸作为总统信息技术顾问委员会的主席团为您服务。
我们也很愿意就我们的报告和所涉及的问题与您和您的政府成员进行会面。
总统信息技术顾问委员会
主席团
MarcR.Benioff主席兼首席执行官S,Inc.
EdwardD.Lazowska博士副主席华盛顿大学计算科学及工程系
成员
RuzenaBajcsy博士社会信息技术研究中心主任、加利福尼亚大学教授
WilliamJ.HanniganAT&T董事长
J.CarterBeese,Jr.RiggsCapitalPartners董事长
JonathanC.Javitt,波拖马可政治学院高级董事
JudithL.Klavans博士语言高级研究中心主任、马里兰大学图书馆及信息科学学院教授
PatriciaThomasEvans全球系统咨询公司主席兼首席执行官
ManuelA.FernandezSIVentures/Gartner行政主任
F.ThomsonLeighton博士Akamai技术首席科学家、麻省理工学院应用数学教授
LuisE.FialloFialloandAssociates,LLC主席
HaroldMortazavian博士AdvancedScientificResearch,Inc.主席兼首席执行官
José-MarieGriffiths博士北卡罗莱纳大学图书馆及信息科学学院院长兼教授
RandallD.MottCIO副主席及戴尔公司副主席
PeterM.Neupert顾问
EliM.Noam博士哥伦比亚大学电子信息学院主任兼教授
EugeneH.Spafford博士教育及信息安全研究中心主任兼教授Purdue大学
DavidA.Patterson博士加州大学计算机科学主席兼教授
DavidH.Staelin理科博士麻省理工学院电子工程教授
AliceG.QuintanillaInformationAssetsManagement,Inc.主席兼首席执行官
PeterS.Tippett,博士TruSecureCorporation副主席
DanielA.Reed博士北卡罗莱纳大学荣誉教授计算科学学院主任
GeoffreyYangRedpointVentures行政主任
计算科学委员会附属委员会
主席:
DanielA.Reed
成员
RuzenaBajcsy
ManuelA.Fernandez
José-MarieGriffiths
RandallD.Mott
顾问
JackDongarra
ChrisR.Johnson
关于总统信息技术顾问委员会和这份报告
总统信息技术顾问委员会是由总统指定成立的,为美国保持在高级信息技术方面的领先地位提供独立的、专业的建议。
总统信息技术顾问委员会的成员是工业及学术界的领导人物,他们的企业在联邦政府网络上及信息技术研究发展方面对一些关键问题进行研究,帮助政府加快发展信息技术的发展,为美国在21世纪的繁荣起到了决定性的作用。
总统信息技术顾问委员会由国会授权,受1991年颁布的“高性能计算法案”(公法102-194)及1998年颁布的“下一代网络法案”(公法105-305)所规定,通过总统执行命令正式成立并重建。
它是联邦政府指派的顾问委员会,受联邦顾问委员会法案(公法92-463)和其他相关的联邦法案所制约。
总统信息技术顾问委员会选择了3个评估题目,计算科学是其中之一。
科学及技术政策办公室的主任下达了一份正式的任务(附录C),要求总统信息技术顾问委员会的成员将他们的努力集中在近期的联邦计算科学研究发展活动的平衡和效率等问题上。
为了开展这个项目,总统信息技术顾问委员会成立了附属委员会负责计算科学,他们的工作就是这篇报告《计算科学:
确保美国的竞争力》的核心。
总统信息技术顾问委员会认为计算科学对国家在科学、经济、社会和国家安全方面上的目标有很大贡献。
然而,由于研究发展机构的低效率和缺少组织、执行策略,计算科学的很多设想无法实现。
总统信息技术顾问委员会首要建议就针对这些不足,希望能使计算科学在大学及政府机构中达到合理化及调整,并为计算科学的研究和发展制订一个长期的目标。
该报告的研究发现和建议是基于总统信息技术顾问委员会一年多的研究成功的。
附属委员会由联邦政府、学术界及工业领域中的计算科学专家所组成,他们查阅了现有的研究成果,在总统信息技术顾问委员会的会议中获得公众信息,并参考了大量的文档。
(附录D概括了附属委员会研究取材的过程)附属委员会草拟的研究成果和建议与2004年11月4日和2005年1月12日在总统信息技术顾问委员会的会议上被研究修改;最终稿于2005年5月11日的会议上被通过。
该报告所用的缩写词的术语表在100页至103页上。
总统信息技术顾问委员会············································v
关于总统信息技术顾问委员会和这份报告····························vii
目录·····························································ix
摘要
1警钟敲响:
美国的领先地位和竞争优势迎来挑战
计算科学是什么?
21世纪科学的“第三支柱”
方兴未艾的革命
总统信息技术顾问委员会的行动倡议
2中世纪的还是现代的?
21世纪研究及教育结构模式
消除结构死穴
不断变化的机构角色和优先权
跨学科教育的挑战
培养21世纪计算机科学带头人
3计算科学几十年的路标
基本原理和需要
计算科学路标组成成分
路标的主要组成成分:
草图
路标过程、结果和可持续性
4为研究和竞争提供持续的基础建设
软件可持续性中心
国家信息软件库
全国高端计算机主导中心
基础工程、社团和可持续性:
坚持到底
5研究和发展的竞争
计算机科学软件
编程的复杂性和使用的简易性
软件的可测量性和可靠性
建筑学和硬件
系统的社会科学体系结构和应用
科学的规则结构和应用
社会科学应用
软件综合
数据管理
结论
参考文献
附录A:
计算科学在工作中的例子
社会科学
物理科学
国家安全
地球科学
工程和制造
生物学和医学
附录B:
计算科学的警告:
一个很少注意到的信息
附录C:
对总统信息技术顾问委员会的命令
附录D:
小组委员会寻求事实进程
附录E:
首字母缩写词
致谢
忘记过去的人,注定要重蹈覆辙
乔治·桑塔耶纳
摘要
大约在半个世纪前,苏联成功发射了Sputnik人造地球卫星—世界上第一颗人造卫星—撼动了美国的政治和科学技术地位,使美国在科学、工程和技术领域上的研究和教育迎来了一个新的纪元。
如今,美国在科学、工程和技术领域上的领先地位又一次面临了挑战。
然而这一次的挑战比以往美国唯一的科技竞争者取得的成就所带来的挑战更加广泛、复杂,也更具长期性。
21世纪,由美国所引领的计算机和网络技术使世界各地的国家在经济和科学技术领域上得到迅速发展,这就使美国在先进科学技术的研究和发展及工业化发展中的领先地位受到了挑战。
尽管信息技术革命正在迅猛发展,美国还没有认识到计算科学及高端计算处理在先进社会科学、生物医学、工程研究、防御及国家安全以及工业改革中的中心位置。
现在计算科学和理论、实验共同组成科学研究的三大基石,计算科学使研究者能够建立并检验复杂现象的模型,例如几百年间的气候变化、飞行器上的多维飞行压力以及恒星爆炸,这些都是在实验室里制造不出来的,并能迅速、高效地处理大量数据。
计算科学的模型和形象化—例如疾病的微生物基础或一场飓风的动力的模型—产生了新的知识体系,超越了传统学科的范围。
在工业上,计算科学通过将商业和工程实践相转化,为我们提供了一个很具竞争力的优势。
虽然它自己本身是一门学科,计算科学能够促进整个科学领域的发展。
21世纪科学领域中最重要并具经济前景的研究前沿都是受先进计算技术和计算科学应用的影响的。
然而,尽管计算科学能对新发现、安全性及竞争力提供最根本的贡献,政府和当今的学术界中不恰当和过时了的组织结构对这一重要的跨学科领域不能提供有效的帮助。
主要发现
计算科学是不可缺少的,它可以辅助解决每一个领域的难题,包括从传统科学、工程学到国家安全、公共卫生和经济改革等关键领域。
计算科学的进步带动了计算模型的发展,有利于采集和分析大量实验和观察数据,解决以前难以解决的问题。
然而,虽然各大高校和联邦政府都需要通过发挥计算科学的巨大作用来辅助他们的组织和教研计划,他们还没有充分认识到这一点。
这危及美国科技的领先地位、经济竞争优势和国家安全。
主要建议
各大学和联邦政府的研发部分必须协调一致,从根本上改变组织结构,以确保在21世纪使计算科学成为解决重大问题的重要工具,21世纪所面临的问题多是跨学科、跨部门,需要合作才能解决的。
为了启动这一必要的变革,联邦政府必须与学术界和工业部门合作,制定和实施长达几十年的战略计划,引导和推动计算科学的协调发展及其在其他领域的广泛应用。
学术界和联邦政府部门内部传统的学科分界严重阻碍了计算科学的研究和教育工作的广泛开展。
对长期跨学科、跨部门合作的热情的缺乏阻碍机构改革。
为了解决这些问题,各大学必须进行重大机构调整,提倡和奖励那些能够鼓舞和推动计算科学发展的合作研究工作。
各大学还必须建立新的跨学科组织,大力推动多方面的教育工作,储备多层次的计算科学人才,使他们始终站在科学领域的前沿,满足国家需要。
联邦政府研发部门也面临同样的问题。
要解决这些问题,国家科技委员会必须委托国家科学院启动重点研究工作以推动联邦政府研发部门内部的改革和创新,使其适应推动计算科学发展的新角色,这需要制定长期的战略计划和合作。
联邦政府研发部门必须积极参与到这个进程中来,个别部门必须进行机构改革,以加速计算科学的发展。
科学进步刺激了新的计算技术的生成,反过来,这些新技术又促进了新的科学发现。
这一动态计算科学“生态系统”的健康发展需要制定长期计划,需要联邦政府研发部门和学术界、工业部门专家的的积极参与和合作。
然而目前,联邦政府在这一领域的投入和计划仍是短期的,跨学科与各部门之前的合作也是有限的。
基于以上原因,国家科技委员会必须委托国家科学院集中力量开展和保持计算科学的长期发展工作,并推动计算在各领域的应用,以确保美国在科学工程、社会和人文科学方面的领先地位。
美国科学研究方面的基础设施跟不上技术的变化发展,所以现在的计算科学生态系统的发展是不平衡的,软件技术的发展落后于硬件发展,不能满足实际需要。
这种不平衡的发展状况决定了研究者起步的基础是不稳定的,他们不具有现代的高质量的软件平台。
其结果就是研究者和计算系统本身所取得的成绩都不得不大打折扣。
制定以上路线图的同时,联邦政府必须国家级软件支持中心,负责储备、存档、支持和维护重要的使用期可能长达几十年的计算科学软件。
并在具体问题上与学术界和工业部门保持沟通。
软件供应商也必须参与到发展和维护研究所需软件基础设施的工作中来。
科学仪器的巨大发展和大量涌现使我们拥有了前所未有的大量数据,为21世纪的重大科学突破创造了历史性机遇。
这一重大发现要求联邦政府必须制定长期战略,支持计算科学数据存储,建立包括具体框架、元数据结构、运算法则、数据包、数据应用、评析和确认在内的所有基础设施。
政府必须要求获得资助的研究人员将数据的软件存放在政府的储备库中,或者采取其他措施以确保安全和隐密。
PITAC也很关注国家整体的计算科学水平和能力。
目前,钻研计算科学难题的研究人员并不具备高端的计算资源,原因在于资金和技术匮乏。
另外,可利用的高端技术资源又被超量订购。
政府必须为国家高端计算中心提供长期资金支持,以保证各中心能够配置和使用最快最先进的高端计算系统,从而顺利开展工作。
智能中心要保证用户群。
为确保路线图的有效实施,联邦政府还需要协调研发部门之间的高端计算基础设施。
PITAC认为要推动21世纪美国的研究和教育工作,支持计算科学生态系统的发展势在必行。
和其他任何复杂的生态系统一样,只有各部分共同繁荣才能促进整体的发展。
只有在战略性计划的基础上,软件、硬件、数据、网络、人等各方面协调发展,美国才能实现计算科学的巨大突破,提高经济竞争力、保障国家安全。
联邦政府必须实施长期协调的计算科学发展项目,提供资金支持,促进软件维护中心、国家数据和软件库、国家高端技术中心与研究人员之间的沟通,形成一个协调地区与地方资源的平衡有序的体系。
这种资金援助的方式在研究领域是相当普遍的,比如使用光源、望远镜等科学仪器的研究单位,在使用生物数据库这样的数据中心也越来越广泛。
美国的计算科学要占据前沿领先地位就必须得到长期的协调的软件、硬件、数据、网络和人力资源研发投入。
一边是迫切的计算科学需要,一边是软件投入不足,对硬件的过度投入、体系投入的有限性、数据基础设施投入不足,这危及美国的科技领先地位、经济竞争力、和国家安全。
联邦政府必须重新平衡研发投资,以:
•创造新一代易操作、可升级的高品质软件,适应计算科学发展的需要,使复杂的技术应用过程简单化,节省时间,并有利于建构精确的模型及模拟,解决新问题。
•设计、建构原型,评析新硬件体系在重点领域的应用
•集中力量进行传感器和数据密集的计算科学应用研究
计算科学得以普及最大动力来源于它的人工智能。
它也有弱点。
那就是所有的研究领域都从计算科学受益,但是无论在哪一个研究领域,计算科学都只是辅助工具或手段。
计算科学由史以来就缺少其他领域所拥有的组织协调的有力支持。
结果,美国就有可能失去科技领先地位。
我们正面临一个重要时刻,如果不能高瞻远瞩,全力以赴,我们将失去科技领先地位、经济竞争优势,甚至国家安全也无法保障,这将影响几代人。
政府、学术界和工业部门必须开展长期、大规模的有效合作,确保美国拥有先进的计算科学技术和资源,确保美国在21世纪仍然享有科技领先地位、经济繁荣和国家安全。
1.警钟敲响:
美国的领先地位和竞争优势迎来挑战
1957年10月4日世界上的第一颗人造卫星—苏联人造卫星发射成功进入轨道所传来的微弱的哔哔声震撼了美国政界,他们展开讨论和行动,期待美国科学工程和技术的研发的教育工作翻开新的一页。
艾森豪威尔总统强调“太空竞赛”的第一步就是设立总统科学顾问一职,以彰显科学对于国家的重大意义。
还设立了两个部门:
ARPA,隶属于国防部,负责进行先进计算技术和其他国防相关技术的基础研究;NASA(国家航空航天局),负责太空技术研发。
还有一些奖励和奖学金项目也纷纷建立进来,以鼓励学生从事科学研究和教育工作。
今天,美国的科学技术领先地位又一次迎来挑战。
但是这一次竞争对手不是一个,挑战更加广泛、复杂,时间更长。
21世纪,全球各国—或敌或友—的经济发展和科学技术萌芽不断向美国科学研发和技术工业提出挑战。
而竞争对手在全球范围内崛起的原因正是美国一度领先的,给美国科学发现、商业和通讯业革命性创新及前所未有的巨大生产力带来无限动力的计算技术和网络技术。
例如,车辆碰撞模拟—20世纪60年代一项以NASA科学家创造的软件为基础的技术—现在已经成为全世界所有顶尖汽车制造商在汽车设计与制造过程中的必备技术。
在制药工业,计算技术也改变了研制新药和配方的方法,大大增强了这一领域的生产能力和竞争。
在制造业和其他许多大规模企业,应用于网络计算系统的专业软件被采用,以辅助管理企业供应链上复杂的信息和资料流通,以及财务和物流。
这有助于节约企业管理成本,提高企业竞争力。
在金融领域,计算模型已经成为微观和宏观分析和预测的主要工具。
以信息技术为动力的全球性变革正在加速发展,但是,美国却还没有完全认识到它的意义。
看看下面这些科学技术工业领域前沿性的行业,美国多个科学和政府组织称它们是21世纪最有发展最重要的行业:
高级材料(包括超导体和半导体)、备用能源、生物技术、高速计算、微电子机械系统(MEMS)、光电子学、传感器和无线通讯。
这些多种多样的新兴技术有一个共同的特点:
任何一个行业的创新的突破都需要最尖端的计算技术及其应用。
事实上,通过以人类技能和计算技术为支持解决计算问题是包括科学、社会科学、生物化学、技术研究、防御与国家安全、工业创新在内的所有领域发展进步的关键。
正如2005年2月16日科学顾问JohnH.MarburgerIII在科学委员会会议之前所说:
“网络技术和信息技术研究实质上决定着科学技术所有其他领域的发展,并为经济生产力注入新的动力。
”[Marburger,2005].
再来看看美国当今竞争力方面的一些数据:
•20世纪70年代以来,美国信息技术产业严重滑坡,过去5年情况更加恶化
[PCAST,2004]。
从1980到2001美国在全球高新技术出口方面的份额从31%降到18%,而同期亚洲国家的份额从7%上升到25%[NSF,2004a]。
20世纪90年代,美国高新技术产品贸易一直保持顺差,2001年起出现逆差[U.S.CensusBureau,2003].
•十年来,美国国防和国家安全所需要的关键计算技术没有实质性的发展,新的高端技术产品也没有传统产品畅销[DoD,2002]。
•美国科学家和工程师在全球所占比例也在下降。
2000年,全球114,000位被授予科学工程博士学位的人有80%来自美国以外的其他国家[NSF,2004a]。
1994到2001年间申请参与研究生级科学工程项目的美国居民人数下降10%,同期持临时签证的外国学生人数增加25%[NSF,2004a].
•2002年,美国学生中参与研究生级科学工程项目的人数虽然增加了5%,但是外国学生的人数增加了8%,而且外国学生占所有研究生人数的比例国:
工程学49%,计算机48%,物理40%,数学39%。
2002年,美国大学中58%的科学工程博士学位被授予持临时签证的外
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