美國信息技術研發戰略的人機協同理念

信息技術變革呈指數級加速發展，人類正在奔向完全數字化的未來。美國政府近期公布《國家網絡與信息技術研發計劃戰略規劃》，力圖維持其技術卓越地位，將人機協同、高可信和網絡化教育這三大理念作為戰略規劃的根基，明確了人人享用數字世界、先進計算、智慧地球、知識發現等人機協同理念下的七項戰略要素。

在整個信息技術革命過程中，美國在信息技術發明與應用方面處于世界領先。美國政府近期制定的《國家網絡與信息技術研發計劃戰略規劃》呈現了對21世紀數字世界的愿景，希望下一代信息技術基礎設施使美國在經濟創新、科學發現、國家安全、教育、能源與環境、健康以及生活質量方面繼續處于領先地位。在未來愿景中，高速的網絡、系統、軟件、設備、數據及應用將完全安全可靠，多模式融合，且易于使用。

迄今數字時代的焦點一直是新穎的機器，如今必須把注意力轉向人，以及數字化能力與數字資源的無縫集成與利用。“人機協同”（WeCompute）理念是美國信息技術研發戰略規劃的根基之一，它明確了21世紀的技術方向是人與計算機系統之間更為緊密、更富成效的伙伴關系。

一、人人享用數字世界

未來的信息技術基礎設施將隨時隨地可用，能夠讓經過授權的任何人在任何時間、任何地點以付得起的成本盡情使用（簡稱“A7環境”）。未來全球互聯網將快速擴張，無線網絡技術將迅猛發展。但是，目前的互聯網還不夠健壯和先進，難以滿足未來各種規模的設備、數據和人之間互相聯接并即時通信的需要。要使未來的信息技術基礎設施功能更強和規模更大，除了基礎性的網絡研究外，還需要一系列的信息技術進步，還需要解決一系列的問題，例如電力消耗，語言障礙，數據、系統和軟件的互操作，系統的適應性，資源的無縫獲取，有益于節能和微型化的新材料研發，以及動態安全與隱私保護。

無線寬帶接入將發揮核心作用。無線電頻譜資源有限，且已面臨巨大的需求壓力。提高頻譜效率和頻譜接入的技術與監管方案將對無線寬帶經濟產生巨大影響，研發時機已經到來。

二、加快高性能計算的未來進程

高性能計算領域存在各種技術挑戰，不僅包括更好的系統硬件和軟件，還包括更有效的服務方式（如云計算），數學和計算機科學的進步，以及使先進的科學應用程序易于開發和使用的新的編程環境和工具。

要使軟件能夠充分利用有多達數百萬個微處理器的異構超級計算機系統，有必要使用大規模并行處理方式，但這給系統和應用程序設計者提出了巨大挑戰。在目前的系統復雜水平上，由軟件問題引起的停機時間在總運行成本中的比例正在上升。一個大有前景的研發途徑就是提高系統的穩定性，也就是使高性能計算系統在軟件出現故障、異常和錯誤時還能繼續運行，并向操作人員發出問題警告，而無需停機。

大規模高性能計算系統和設施的能源需求穩步上升，節能技術研發對超級計算的長遠發展也至關重要。為取得科學突破，必須在電源管理和散熱技術、納米復合材料、新穎的節能平臺和系統構架、自旋邏輯器件和云計算等計算技術與方法、下一代計算概念如量子信息科學等多個研究領域進行全面研究。納米科學、生物科學和量子科學的進步還會產生徹底不同的構架和計算方法，構成下一代計算的基礎。

三、發展社會技術網絡

21世紀的網絡基礎設施必須足夠健壯，能滿足高度多樣化的需求，包括：支持人人享用數字世界的網絡服務；數據量的指數級增長和數據存取方式的變化；用于國防、商業和金融等部門的超可靠、超安全的網絡；為數據密集型科研提供端到端的寬帶、性能和服務所需的新型網絡技術（如全光纖網絡）；無線網絡、光纖網絡和衛星通信等異構網絡。需要推進的核心研發領域包括網絡基礎、網絡設計、網絡管理、隱私與安全以及易用性。

要取得可廣泛部署的創新成果，研發議程有三個要素：一是網絡構架、理論模型、分析技術、硬件、安全與穩私、中間件等支持下一代網絡應用的基礎研究與應用研究；二是網絡應用的開發者、使用者和利益相關者開展合作，就國家安全、科技領先和人類健康等領域的實際問題檢驗基礎研究的構想；三是有利于認識和建立新的技術與數據系統，并能提高其性能的網絡原型和試驗平臺。研究、合作和網絡原型及試驗平臺這三個要素密不可分。

四、建立智慧地球

未來地球將更加智慧，各種類型的物體、設備和大型實體系統將相互聯接，在計算機技術的推動下，按照指令與人們一起執行任務，使人們的利益最大化。智慧地球還能讓人們實時協作，根據需要動態地建立將人與設備、數據、信息、計算平臺和各種應用相聯的特定臨時網絡。智慧地球既包括自主執行任務的機器人系統，也包括網絡化的物理系統。這些系統是網絡化的計算系統與工程化的物理系統的深度融合，用以監測和控制整個物理系統的性能與行為。這樣的系統已經對美國的國防與情報系統、關鍵基礎設施、工業流程控制系統、大型民用系統的有效運行至關重要。從全球來看，對網絡物理系統的需求正在日益增長。

工程系統與產品的網絡化對于這些系統發揮更大作用正變得十分重要。今后需要開展新的系統科學研究，提供統一的基礎、模型、工具、系統能力和構架，促進高可信、網絡化的工程系統與自然系統的創新。在這一研究領域，還有必要更加深刻地認識系統的復雜性，以幫助改善管理和決策支持。

五、設計精密復雜的軟件

與網絡技術一樣，軟件使數字世界成為可能，指揮計算機和設備發揮作用，并發出計算機應用指令。軟件越復雜，就越有可能出現不可預測的意外行為，這增加了系統失靈的風險，有可能對企業、服務、設備或用戶造成顯著影響。

軟件開發的傳統是增量變化，這不足以解決現代關鍵系統的復雜性問題。提高軟件系統的質量、成本有效性和可持續性成為主要技術挑戰，這需要突破性創新，包括從基礎科學與工程研究到軟件應用。也需要重新思考軟件設計，包括從基本設計理念、軟件演化、軟件適應性到人機無縫融合的先進系統。還需要有新的實踐、技術、工具和評測方法，以減少軟件開發中出現的錯誤、缺陷和漏洞。

六、從數據到新知識

目前，人類產生電子數據的能力遠遠超過了其管理和有效利用數據資源所需的技術進步速度。超大規模的數據集（即“大數據”）是可能蘊含新知識的寶藏，然而當前的網絡基礎設施還達不到在臺式機上存取和處理大數據的端到端的性能水平。我們需要更強大、更精細的工具，去深挖數據寶藏，將各種類型的數據結合起來，并可視化地表達出來，以便發現那些有可能帶來新見解的重要事項、模式和關系。

為支持個人、組織和社會進行復雜的思考、分析以及及時行動和決策，必須積極響應用戶的需求和專長，管理、存取和吸收多種來源和形式的大規模原始數據信息（如傳感器數據）。21世紀，科學數據和其他數據極其龐大，運用信息促進知識發現和決策面臨重大研發挑戰，需要從信息標準、決策支持和信息管理等方面加以解決。

七、開拓社會智能系統

開源軟件開發和眾包等新型合作交流形式脫穎而出，表明將人機融合的新型社會智能形式具有潛力。社會智能系統可以是由單人和單臺計算機構成的系統，也可以指全球大量的人和計算機構成的系統。在社會智能系統中，眾人在更好的計算環境中群策群力，解決極其復雜的問題，人與機器將發揮各自的長處。這種環境將包括更強大的分析工具，使人們能夠做出有效決策。

微博、信息安全、視頻、推薦系統和聲譽系統之類的創新已經使電子商務和在線交流發生了變革，網絡化支撐的科學發現和虛擬組織則促進了科學進步。然而，今天的系統還只是未來更為強大的社會智能系統的一絲征兆而已。今后，社會智能系統研究需要把計算機作為智力參與者，也需要進一步認識人們如何最佳地開展大規模實時協作，從而更好地把握哪類問題最適合人機協同。機器學習與人工智能，身臨其境式虛擬環境與四維觸摸顯示器，對復雜系統的認識、模擬和管理，計算攝影學，圖形學與可視化，社會機器人和仿人機器人，語音識別，自然語言理解與對話系統以及經濟學理論的計算機化將是今后的關鍵研究領域。