美國戰略計算計劃的協調管理機制、實施特點及啟示

王花蕾

國家工業信息安全發展研究中心信息政策所，北京，100040

一、引言

算力，簡而言之就是計算能力和對數據的處理能力。隨著新一代信息技術快速發展，數據量呈爆炸式增長，算力與電力、熱力一樣成為新型生產力，成為經濟社會高質量發展的重要支撐。為順應這一發展趨勢，近年來，我國加快了算力建設部署。2021年3月，第十三屆全國人民代表大會第四次會議決議通過的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》強調，要“加快構建全國一體化大數據中心體系，強化算力統籌智能調度”；5月，由國家發展和改革委員會、中共中央網絡安全和信息化委員會辦公室、工業和信息化部（簡稱“工信部”）、國家能源局聯合印發的《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》提出，構建新型算力網絡體系，在部分地區建設全國一體化算力網絡國家樞紐節點，加快實施“東數西算”工程；11月，工信部印發《“十四五”信息通信行業發展規劃》，將算力能力提升作為“十四五”時期的重點任務之一。

算力建設是以計算技術研發應用為基礎的，美國比較重視計算科學發展，并形成了較為體系化的部署。尤其是2016年以來，美國連續發布了3 份戰略計劃，對新形勢下的計算發展進行了系統部署。國內學者對這幾份計劃的分析很少，筆者擬對其重點內容及協調管理機制、相關特點進行分析，以供相關研究者參考。

二、美國戰略計算計劃的主要內容

20世紀90年代，美國制定了跨部門的高性能計算和通信計劃。隨著技術的不斷發展和應用日益廣泛，原有的計劃逐漸難以適應各領域的需求。同時，2010年之后，世界主要國家紛紛發布高性能計算計劃，美國面臨的外部競爭壓力隨之增大。在這樣的背景下，美國制定了戰略計算計劃。

（一）美國戰略計算計劃的制定與更新

2015年，美國總統奧巴馬簽署13702 號總統令，要求啟動戰略計算計劃，對計算政策進行全面更新。2016年，《國家戰略計算計劃》正式制定，旨在保持和加強美國在高性能計算領域的領先地位。[1]《國家戰略計算計劃》要求加速發展高性能計算系統，建設強大的E 級計算；開發建模、仿真和數據分析的統一平臺，加強二者間的動態交互；發展數字計算（基于馮·諾依曼）和替代計算（量子計算、神經計算及其他），形成超越摩爾定律的計算范式；開發和采用新的方法、技術和軟件架構，擴展計算生態系統的容量和能力；通過公私合作促進發展。2019年，美國發布《戰略計算計劃更新：引領未來的計算》，進一步聚焦未來的先進計算，希望實現未來計算技術的協作研發和部署，開辟數字和非數字計算新領域，建立異構計算系統（從超大規模到以邊緣為中心的系統等）與網絡、硬件、軟件、數據等相結合的新型計算生態系統。[2]

2020年，美國發布《引領未來的先進計算生態系統：戰略計劃》，再次更新了相關計劃，明確了對未來先進計算生態系統的設想和建設要求。[3]根據該計劃，未來先進計算生態系統由一組在架構（如經典和量子）、資源類型（如高性能計算、云計算、邊緣計算等）和使用方式上不同的資源和服務組成，允許各種資源產品和用例（如數據和計算實驗）之間無縫對接，具有可重構性、可編程性、可靠性、安全性等關鍵屬性。《引領未來的先進計算生態系統：戰略計劃》要求將先進計算生態系統作為國家的戰略資產，建立可持續的軟件生態系統和數據生態系統，支持計算技術從基礎研究到應用和產業化的全鏈條發展，聯合各方培育多元化的技術隊伍，以維護美國在科學和工程、經濟競爭力和國家安全方面的持續領導地位。

（二）美國戰略計算計劃的重點

相比于高性能計算計劃，戰略計算計劃更加聚焦于計算系統，且更為重視計劃的長期性、系統性，強調滿足應用端的需求，關注未來技術發展。

1.強調計劃的長期性和系統的均衡發展

1991年，美國科技政策辦公室在《大挑戰：高性能計算和通信》報告勾畫了高性能計算與通信計劃（High Performance Computing and Communications Program，HPCC）框架；同年12月，《高性能計算法案》正式授權制定相關計劃。當時，該計劃主要關注計算性能和應用，不少組件直接從市場購買。但隨著各行業對計算需求的增加，原有的做法已難以適應需要。2004年，美國國家科學技術委員會（簡稱“美國國家科技委員會”）高端計算振興任務組在《聯邦高端計算計劃》中明確指出，要加強對高端計算的長期規劃和研發投入，以往基于市售組件（COTS）的做法無法滿足重要領域的高端計算需求，聯邦政府必須投資組件研發，制定10 ～15年的開發、測試和評估計劃以及軟硬件和系統的詳細路線圖。[4]2005年，美國總統信息技術咨詢委員會（President’s Information Technology Advisory Committee，PITAC）指出，聯邦政府對計算科學研究的支持過于專注短期、低風險的活動，過度關注硬件性能峰值，在軟件、數據基礎設施和工具上的投資不足，從長期來看這是一種高風險的策略。[5]2007年，PITAC 的繼任者美國總統科技咨詢委員會（President’s Council of Advisors on Science and Technology，PCAST）1再次強調，高端計算仍是美國的戰略重點，應制定相關戰略計劃，實現對高端計算架構、硬件、軟件、數據、應用程序等的平衡投資。[6]

13702 號總統令要求戰略計算計劃必須制定全面的技術和科學方法，將硬件、系統軟件、開發工具和應用方面的高性能計算研究高效地轉化為開發，并最終轉化為運營。顯然，美國戰略計算計劃接受了咨詢機構的建議，并將計算視為一個生態系統，對其發展進行了長期、系統的規劃，均衡發展軟硬件、數據、應用等方面。

2.建設仿真與數據分析一體化平臺以滿足應用端需求

隨著應用范圍的擴展，各領域的計算需求迅速增加。尤其是2008年“再工業化”興起后，高性能計算被視為美國制造業真正的游戲規則改變者，建模、仿真、分析被認為是美國創新的倍增器。[7]2010年，《美國競爭力再授權法案2010》建議，采取一切有效措施確保在制造業中運用計算仿真和模擬技術，重塑美國制造業的領導者地位，相關建議被美國制造業戰略采納。2012年，美國《先進制造業國家戰略》要求發展數據和設計基礎設施，加強產品和流程建模仿真、組件連接、系統集成。2018年和2022年版的制造業戰略強調智能制造和數字制造，要求發展實時建模、仿真和數據分析技術，實現從設計到生產、從組件到平臺的無縫集成。

為適應仿真與數據分析一體化需求，2016年，《國家戰略計算計劃》要求建立建模、仿真和數據分析的統一平臺；2019年，《戰略計算計劃更新：引領未來的計算》要求建立硬件與軟件、數據和網絡專業知識集成的計算生態系統；2020年，《引領未來的先進計算生態系統：戰略計劃》強調了應用對計算的驅動作用：超大規模建模和仿真、數據密集型應用程序、端到端流程和數據驅動實時決策的廣泛應用均對計算系統提出了新挑戰，要求發展異構條件下的計算技術，建設可持續的軟件和數據生態系統。

3.關注未來技術條件下的計算發展

美國一向具有開展前瞻性技術研究的傳統。早在1999年，PITAC 就呼吁政府啟動下一代算法、軟件和硬件項目研究，構建新型計算系統的先進原型，就像美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助創建的互聯網原型阿帕網（ARPA）一樣。[8]2010年，PCAST 呼吁對下一代硬件、架構、算法和軟件開展基礎研究，以發展“真正具有變革性的下一代高性能計算系統”，并強調有必要采取全新的方法，在一些領域進行突破性的研究。[9]

技術發展為開發下一代高性能計算提供了可能。2013年，PCAST 指出，隨著多核處理器芯片、圖形處理工具、云計算等的技術創新，高性能計算應與快速發展的“計算生態”相協調。[10]之后，在新興技術的推動下，從硬件設備到系統架構和軟件棧都出現了重大變化。例如，登納德縮放比例定律（Dennard Scaling）2終結和摩爾定律3放緩，推動馮·諾依曼的計算架構向包含神經形態、量子、仿真、概率計算等的替代架構轉變，加之數據量的快速增加、人工智能的迅速發展以及集中的計算資源（如“超級計算機”）向分布式邊緣計算、云計算和數據分析一體化的轉變[3]，推動計算生態跨越多個維度快速發展。為順應這一變化，2016年，《國家戰略計算計劃》要求發展超越摩爾定律（“后摩爾定律時代”）的計算范式；2019年，《戰略計算計劃更新：引領未來的計算》要求開辟數字和非數字計算的新領域，并建設新技術所需的試驗臺、實驗原型、工廠和供應鏈等基礎設施；2020年，《引領未來的先進計算生態系統：戰略計劃》強調加強未來技術研究、應用、推廣，進行跨設備、系統、軟件和應用程序的全域研究，確保美國在后摩爾時代的領導地位。

三、美國戰略計算計劃的協調管理機制

PITAC 認為，影響計算生態系統建設的障礙主要有兩個：其一，學術界僵化的“學科豎井”，扼殺了多學科研究和教育；其二，聯邦政府、學術界和工業界對計算科學的規劃和協調不足，缺乏戰略性和跨學科、跨機構合作，計算科學生態系統發展不平衡，建議為計算科學制定未來數十年的路線圖。[5]因此，美國戰略計算計劃在實施過程中，非常注重協調管理，建立了白宮統籌下跨部門協調管理的機制，大力推動跨學科、跨領域協作。

（一）戰略計算計劃的協調管理機構

13702 號總統令要求成立一個執行委員會，負責戰略計算計劃的制定、協調。該委員會由科技政策辦公室主任與管理和預算辦公室主任共同主持，每年至少召開兩次協調會，成員包括國防部、能源部、國土安全部等部門負責人（各部門分工見表1）。成員機構共有3 類：領導機構（lead agencies）、基礎研發機構（founditional R&D agencies）和應用機構（deployment agencies）。其中，領導機構包括國防部、能源部和國家科學基金會，它們均承擔一定的軟硬件研發和人才培養任務。能源部重點關注高級仿真，國防部專注于數據分析，國家科學基金會在科學發現、計算生態系統和勞動力發展中發揮核心作用。基礎研發機構包括情報高級研究計劃局、國家標準與技術研究院，前者專注于研究未來計算架構，后者則專注于計算技術計量和標準化。應用機構包括國家航空航天局、聯邦調查局、國家衛生研究院、國土安全部、國家海洋和大氣管理局，確保計算技術在其各自領域的有效應用并以應用推動計算發展。

表1 美國戰略計算計劃中聯邦各機構分工

在執行委員會的基礎上，美國戰略計算計劃的統籌機構又經過一段時間的調整才相對固定下來。2019年6月，美國國家科技委員會設立了臨時性的戰略計算快速通道行動委員會，其主要任務是更新戰略計算計劃；11月，該委員會發布《戰略計算計劃更新：引領未來的計算》，并要求在美國國家科技委員會設立一個固定小組委員會，專門負責戰略計算的跨機構協調事宜。隨后，美國國家科技委員會在技術分委會設立了未來先進計算生態系統小組委員會（Subcommitte On Future Advanced Computing Ecosystem，FACE），作為統籌未來計算的“執行委員會”，2020年《引領未來的先進計算生態系統：戰略計劃》就是在該小組委員會的領導下制定的。不同的是，該小組在執行委員會的基礎上增加了一個從事基礎研發的新成員—國防高級研究計劃局。

（二）協調管理機構與其他跨部門機構的協調

美國戰略計算計劃涉及很多領域，而不少領域有專門的計劃和跨部門協調機構，所以戰略計算計劃也要與相關計劃保持一致，這就要求FACE 小組要加強與其他相關機構的協調。例如，在“超越摩爾定律的計算”方面，能源部、國防部、情報高級研究計劃局、國家標準與技術研究院、國家科學基金會共同支持非CMOS 技術發展。其中，國家衛生研究院、能源部、國防部和國家科學基金會支持神經形態計算研究，國家標準與技術研究院和國家科學基金會支持量子傳感器和量子通信研究，國家標準與技術研究院、國家科學基金會和能源部支持量子物理研究，而國防部和情報高級研究計劃局資助量子計算基礎研究，能源部、情報高級研究計劃局和國家航空航天局負責探索絕熱量子系統研究，情報高級研究計劃局提供后摩爾半導體計算技術方案。[1]顯然，量子技術研究需要FACE 小組與量子信息科學跨機構工作組（后改為小組委員會）協調，后摩爾半導體技術研究需要與微電子領導力小組委員會協調。

在“持久的國家高性能計算生態系統”方面，國家科學基金會、國家標準與技術研究院、情報高級研究計劃局還需要在網絡與信息技術研發計劃（NITRD）的協調下領導網絡技術研發，以增加對E級計算系統的訪問。[1]其中，NITRD 計劃是高性能計算與通信計劃在2009年被《網絡與信息技術研發法案》（Networking and Information Technology Research and Development Act of 2009，NITRD 法案）更名后的稱呼，其統籌機構也相應更名為NITRD 小組委員會。此外，還有其他跨部門協調機構與FACE 小組存在交叉關系（見圖1），它們相互協作共同確保了戰略計算計劃的順利實施。

圖1 與戰略計算計劃相關的部分跨部門協調機構示意圖

四、美國戰略計算計劃的實施特點

13702 號總統令給戰略計算計劃制定提出的原則中有兩項與組織管理有關：采用全政府方法（whole-ofgovernment approach）加強所有執行部門和機構合作；促進政府、行業和學術界公私合作，使高性能計算的利益最大化，這一原則在后續計劃中被稱為“舉國方法”（whole-of-nation approach）。這兩個方法可以被視為戰略計算計劃協調管理的主要特點，相關計劃均有強調。2016年，《國家戰略計算計劃》要求采用全政府方法加強公共部門合作，并將其擴展至“舉國方法”；2019年，《戰略計算計劃更新：引領未來的計算》將加強協調作為重要戰略目標；2020年，《引領未來的先進計算生態系統：戰略計劃》也強調運用舉國方法構建未來的先進計算生態系統。

（一）“全政府方法”

“全政府”至少包含兩層含義。其一，指政府部門不同計劃之間的協作。美國一直強調，計算領域的領導地位本身并不是目的，更重要的是通過運用計算能力實現國家優先事項。所以，國家戰略計算計劃與先進制造計劃、腦科學計劃、材料基因組計劃、大數據研發計劃、納米技術計劃、精準醫療計劃等始終保持密切的協同關系，通過提供計算和數據分析服務，促進相關領域發展。其二，多個甚至所有政府部門、機構之間的協作。除了成員單位之間的合作，計劃協調機構與其他協調機構、聯邦團體之間也存在密切的合作關系。

合作可以采取多種形式。一種形式是相關人員共同參與某個跨部門小組委員會、定期會議或交叉領導，或者某些機構的業務需要同時接受兩個以上跨部門機構協調。前者如FACE 小組的一位聯合主席還同時擔任NITRD小組、人工智能研究資源工作組、氣象服務機構間委員會、網絡設施和基礎設施委員會、量子信息科學小組委員會的聯合主席等。[11]后者如前述FACE 小組需要就戰略計算相關工作與其他機構加強協調。另一種形式是在計劃、方案或戰略內容方面相互支持。例如，2022年9月，美國總統科技顧問委員會向總統提交的報告《振興美國半導體生態系統》，建議未來半導體技術的一個優先創新領域為Z 級計算[12]，從硬件方面對先進計算提供支持。2022年，美國出臺的《芯片與科學法案》要求建設量子網絡基礎設施，開發量子網絡技術基礎材料、測試平臺、軟件、計算架構等；要求實施量子用戶拓展計劃，促進量子硬件和云應用，從量子角度對未來先進計算提供支持。這種人事、活動、計劃等的相互交織，確保了幾乎所有聯邦機構在計算問題上的協同。

（二）“舉國方法”

所謂“舉國”是指除了政府部門外，學術界、工業界、社會團體等均以不同形式參與計算生態建設，促進計算價值充分發揮。事實上，戰略計算計劃將建立和擴大伙伴關系作為重要戰略目標，努力推動聯邦機構與產業界、非營利組織和學術界加強合作，共同分享技術進步的利益。更重要的是，以往的公私合作關系往往由某個聯邦機構發起且大多局限于技術領域，如國家科學基金會的小企業創新研究和技術轉移計劃、產業/大學合作研究中心、創新伙伴關系等，但戰略計算計劃要求公私合作關系擴展至更多主體、更大范圍。例如，鼓勵各方通過課程設置和人才培訓、再培訓等進行人才培養合作。再如，有的公私合作伙伴關系直接在政府部門的主導下建立，服從于政府整體戰略。《國家戰略計算儲備：一個藍圖》就建立了一個由政府、學術界、非營利組織、產業界的志愿者專家組成的戰略計算儲備聯盟，通過與服務商合作提供先進的計算資源以應對可能出現的危機。這一聯盟與民用后備航空隊、商船隊的角色類似，雖然不屬于軍隊，但政府可以要求其在危機時期協助軍隊執行任務[13]。基于這一廣泛的公私合作關系，美國在計算領域形成了自身特色。

五、美國經驗對我國算力發展的啟示

進入數字時代，算力對企業和國家的技術創新和經濟發展作用明顯。國際數據公司（IDC）研究發現，美國企業對高性能計算的投資每增加1 美元，就可產生515美元的收入和43 美元的利潤或成本節約；采用高性能計算的公司有97%表示，如果沒有計算能力的提升，其競爭優勢無法維持甚至企業無法生存。[14]目前，我國算力發展還存在明顯的短板：關鍵技術受制于人，數據技術路線、標準、資源接口不統一，專業人才短缺，創新應用不足[15]；供需無法精準匹配，生態發展面臨體系化困境，軟硬融合底層工具欠缺[16]；計算資源分布不均，組織管理機制不完善[17]；產學研合作不協調，軟硬件發展不均衡[18]。針對這些問題，借鑒美國經驗，我國應做好頂層設計，有效組織各方力量，完善整體算力部署。

（一）加強中央統一領導和組織協調，實現跨部門、跨地區之間的協同管理

在中央層面建立跨部門協調機構，明確政府各部門職責，加強業務之間的協同性，實現計算技術創新鏈和算力產業鏈精準對接，與相關資金鏈人才鏈深度融合。以“東數西算”工程打造的新型算力網絡為基礎，進一步做好全國算力資源的統籌規劃。建立區域間、行業間、算力樞紐點之間的協同機制，推動算網協同、算網一體，有效管理云計算、邊緣計算、高性能計算等計算資源，基于互聯網按需調度使用，確保全國算力資源一盤棋。

（二）制定算力研發戰略規劃，從生態視角推動算力技術發展

將算力研發上升到戰略層面，全面規劃技術研發體系，確保軟硬件、系統架構、算法等方面均衡發展。加強關鍵技術創新，著重補短板、強弱項，以系統化方式帶動基礎研發、應用研發和技術產業化的整體創新。加強量子計算、神經形態計算、后摩爾芯片等前沿技術研究，構建多層次異構計算體系。全面布局算力技術研發、標準體系、基礎設施、人才培養等工作，推動整個計算生態系統健康發展。

（三）培育先進計算產業，營造算力產業良好發展環境

加快公共數據資源開放共享，推動數據全過程應用，建設集建模、仿真和數據分析于一體的綜合服務平臺和集數據計算、運營維護、網絡安全于一體的運營管理平臺。加快培育壯大先進計算企業，建立計算企業梯度發展體系，推動相關產業向全球價值鏈中高端邁進。強化算力應用推廣，推動面向不同場景的算力服務創新，充分發揮算力對具體行業的賦能作用，形成多元化的算力解決方案。

（四）運用公私合作伙伴關系，有效匯聚社會各界力量

廣泛建立各種形式的公私合作組織，強化各方在技術硬件、軟件、數據等不同方面及產品開發、交易、應用等不同環節的合作，確保算力資源安全、可信、可用；將算力資源以合理方式開放給科研機構和高校，通過產教融合等方式培養復合型計算人才；以實際需求驅動算力研發和建設，確保算力部署滿足行業內、區域內不同用戶和應用場景的需求；鼓勵各方探索適合不同領域、不同企業的算力使用模式，為中小微企業甚至個人使用算力資源提供便利。

注釋：

1.2005年9月，13385號總統令將PITAC的職責授予PCAST。

2.登納德縮放比例定律是指隨著晶體管變小，其功率密度保持不變。

3.摩爾定律是指集成電路上集成的晶體管的數量每18個月或兩年就翻一番。