信息科学技术的长期发展趋势和我国的战略取向

2010-11-09李国杰

中国教育网络 2010年2期

关键词：科学技术信息发展

文/李国杰

文/李国杰

21世纪上半叶，信息科学技术将面临一场新的革命。今后几十年内，我国发展信息科学技术的主要任务是构建“普惠泛在的信息网络体系”。我国发展信息科学技术应采取“重点跨越”的战略取向。

信息科学技术面临重大突破

信息科学技术面临新的革命

在过去几十年中，信息技术一直走在信息科学的前面，无论是图灵机理论、冯·诺依曼计算机模型，还是香侬信息论，都是在20世纪30～40年代建立起来的。半个多世纪过去了，尽管信息技术飞速发展，但许多重要的信息科学基本理论问题仍没有得到解决。根据前苏联经济学家康德拉季耶夫提出的经济长波理论[1]，我们预计21世纪上半叶信息科学将取得突破性发展，而下半叶将出现一次基于科学突破的新的信息技术革命（见图1）。

中国科学院信息领域战略研究组[2]通过一年多的战略研究工作，做出的最基本的判断是：

第一，信息技术经过半个世纪的高速发展以后，不会变成以增量改进为主的传统产业技术，而是面临一次新的信息科学革命；在整个21世纪，信息科学技术将与生物、纳米、认知等科学技术交织在一起，继续焕发出蓬勃的生机，引领和支撑国民经济的发展，改变人们的生活方式。

第二，不论是集成电路、高性能计算机，还是互联网和存储器，2020年前后都会遇到只靠延续现有技术难以逾越的障碍（信息技术墙），孕育着新的重大科学问题的发现和原理性的突破。所谓信息技术墙是指：挖掘并行性和可扩展的困难, 信息处理的高功耗, 复杂信息系统安全可靠性低。

到2020年左右，摩尔定律将不再有效，集成电路正在逐步进入“后摩尔时代”，我们必须更多地从“Beyond CMOS”中寻找新的出路。计算机也正逐步进入“后PC时代”，终端设备将从“高大全”向“低小专”（“专”指个性化）转变，降低功耗是首要目标。2020年以后，超级计算机的“千倍定律”将失效，只在现有的技术基础上做改进，到2030年将无法制造出Zettaflops级（1021 flops ) 水平的计算机。进入“后IP”时代是不可避免的发展过程，可能需要15-20年时间才能真正突破TCP/IP协议的局限。

信息领域的技术在以下三个方向必须有革命性的突破：在扩展性方面，要可扩展到亿级甚至百亿千亿级并行度，惠及数十亿用户；在低功耗方面，性能功耗比要提高几个数量级；在可靠安全方面，要致力于研制自检测、自诊断、自修复的高可信系统（见图2）。

图1 20～21世纪信息科学与技术发展态势

图2 信息领域重点突破的3个方向

10～15年的战略机遇期

基于以上的分析，我们认为，信息领域的科技工作者在2020年以前必须积极探索攻克“信息技术墙”的核心技术，重点解决信息系统的可扩展性、低能耗、安全性和易用性等难题；2020年以后，什么技术将成为新的主流技术就会逐步明朗；2020到2035年将是信息技术改天换地的大变革期；2035到2050年，符合科学发展观的新的信息网络体系会逐步形成。

这样的结论给我们的重要启示是：从现在开始，历史留给我们难得的机遇期只有10～15年左右。如果错过这15年，我国就很难在21世纪上半叶成为信息产业的强国，也必将对我国的现代化进程产生十分不利的影响。

U社会和发展网络科学技术

构建“普惠泛在的信息网络体系”

从2010年至2050年，我国发展信息科学技术的总目标是：抓住信息技术跃变的机遇，提升自主创新和可持续发展能力，使我国全面进入信息社会：绝大多数中国人成为信息用户，信息成为中国经济和社会发展最重要的资源，社会信息化总体上接近国外发达国家水平。

信息社会的发展可粗略分为e社会和u社会两个阶段，e社会是信息社会的初级阶段，u社会是信息社会的高级阶段。2020年以前我国要为迈向信息社会奠定坚实基础，称为e社会，2020年以后的目标是向u社会过渡。U有三种含义, 第一是Universal，即全民普及、惠及全民；第二是User-Oriented和User-Centric, 即面向用户和以用户为中心；第三是Ubiquitous，即网络通信和服务无处不在。

今后几十年内，我国发展信息科学技术的总体战略目标和任务是构建“普惠泛在的信息网络体系”，简称U-I N S体系（Universal, User-oriented, Ubiquitous Information Network Systems）。U-INS体系包含六个方面的内容：(1)支撑网络、具有变革性的器件与系统；(2)面向大众、普及全民的网络系统；(3)安全可信、个性化的网络服务技术；（4）支持产业升级和发展数据知识产业；（5）网络科学与新的信息科学；（6）国家与社会信息网络安全体系。这一体系体现了21世纪上半叶我国要全面进入信息社会的重大战略需求，也包含了信息领域需要重点发展的科学技术。我国未来40年要高度关注和积极发展惠及全民、以用户为中心、无所不在的信息网络体系。

21世纪网络科学技术的变革

传统的计算机科学主要致力于研究如何最好地设计、构造、分析和编程计算机，而现在研究的问题主要是如何最好地设计、构建、分析和操作网络。继20世纪发展系统论、信息论和控制论之后，21世纪将提出新的网络论（Net Theory），将整个网络看成一个复杂巨系统，发现其中的规律，这一理论将对网络的发展与普及产生深远影响。历史上并没有人设计互联网， Internet是自己演化涌现（emerge）形成的。未来网络一定要建立在对网络的深刻理解上，不仅要理解网络的协议层，而且要理解网络的动力学行为、可控制性、安全性、健壮性和演化规律。

到目前为止，网络领域引用率最高的6篇论文中有4篇发表在Science, Nature 和Reviews of Modern Physics，均不是网络领域的学术期刊。著名的Scale Free Model并不符合Internet的真实情况。要发展真正的网络科学，只有在Network Science Community和 Network Research Community中相互交流，才能对网络有正确的认识。网络科学是研究人机物三元世界的网络共性规律、表达模型和计算理论的新兴学科，涉及经济、社会等和信息科学交叉领域所面临的科学问题。网络科学将会提出网络信息理论的新概念并发展新的理论体系。

未来互联网设计（Future Internet Design, FIND）计划是美国国家科学基金会（NSF）网络技术和系统研究计划（NeTS Research Program）中的一个新的重大长期研究倡议。 FIND邀请学术界考虑15年后的全球网络的需求是什么，并要求解除受网络现状限制的普遍心理来构思未来，主要致力于以下5个问题：

第一，网络是否要继续采用分组交换；

第二，端对端原理是否要改变（端对端原理的提出者Clark 教授在2009年的一次FIND工作会议上建议：将E2E 原理改为trust-to-trust原理，即应用的智能不一定在终端，而是放在有足够的信任能正确完成任务的设备上）；

传感器、无线射频标签(RFID)、传感网络应用等方面与国外先进水平有较大差距，要抓紧突破传感网和物联网核心技术，在技术标准上争取更大的发言权。

第三，路由和包转发是否要分开；

第四，拥塞控制和资源管理问题；

第五，身份认证和路由问题。

以上这些内容涉及互联网的根本原则。FIND项目的研究内容给了我们深刻的启迪：信息领域的科研不能停留在对现有平台的修修补补，要敢于挑战现有平台，考虑革命性的技术换代。

设计未来互联网不同于其他工程设计，它不是设计一个有具体目标的人造物品，而是设计一个环境，使之能引发出我们希望出现的网络产品与服务。因此，我们需要能适应未预见到未来变化的新理论。

无处不在的传感网与物联网

传感网络是数字世界与物理世界的桥梁，主要实现对物理世界的信息获取和处理，数字物理系统（Cyber Physical System,CPS）,又称为物联网，是数字世界与物理世界交互的网络系统，主要功能是监视与控制。传感网络和数字物理系统的研究重合的部分很大、但侧重各有不同，前者重点在感知与网络、，后者在计算与控制，它们都是未来泛在网的重要组成部分。传感网和物联网是典型的多学科交叉的综合研究，涉及通信、光学、微机械、化学、生物等诸多领域。

如果把手机比喻成自然界的鱼类（约3万种），PC机比喻成比鱼类还高级的各种生物（约2万种），物联网的终端（包括各种贴有RFID标签的物品）就类似自然界的昆虫（约100万种），物联网终端：手机：PC机约为100∶3∶2。物联网的普及将使上网设备成百倍地增长。但必须指出，将来也不会出现像手机网和PC网一样庞大的统一的物联网，每一种应用的物联网可能都是一个规模不太大的网络，每一种传感器或RFID可能都是Niche Market，但累计起来规模巨大。发展物联网需要与发展手机和PC机不同的思路。

随着大量的嵌入式设备和传感器纳入信息系统，每个服务器的客户端设备数量可达到几万个之多，对这些嵌入式设备和传感器发送的海量信息进行存储、搜索、校对、汇总和分析，将是21世纪信息领域新的挑战任务。我国在传感器、无线射频标签(RFID)、传感网络应用等方面与国外先进水平有较大差距，要抓紧突破传感网和物联网核心技术，在技术标准上争取更大的发言权。

云计算的出现具有一定的历史必然性

古人云：天下大势，分久必合，合久必分。信息技术领域宏观上也呈现一种长周期现象，即每隔15～20年，计算模式会出现集中-分散交替主导的现象。这种现象被称为“三国定律”（见图3）。

美国电气化过程，在1880～1900年期间，美国和英国只有小电站，每个工厂、每条电车道都有自己的发电设备。银行和股市支持私人发展电力。这导致20世纪初伦敦的电力有10种不同的频率、32种不同的电压、70种不同的电价[3]。为了实现电力系统的融合，美国规定地方政府可控制的地区只允许用公共电力，私人电力公司可在城市之间发展，逐渐实现供电方式和价格等的统一。近几年国外又在探讨分布式的热电联产的绿色智能电网系统，第二代能源系统成为21世纪能源工业结构调整的方向之一。目前相当分散的信息中心与上世纪初美国电气化开始阶段的情景极其类似，信息网络与电力网络一样，都要经历分散-集中-分散的螺旋式发展过程。

云计算符合“三国定律”的宏观规律，有一定必然性。它是网络计算的一个新阶段，既有集中又有分散，尚未完成下一个“集中-->分散”转折，有专家称“云计算是软件大型机”。云计算也是我国走向信息社会的一个必经阶段。云计算适应用户的需求和软件转向服务的发展趋势，体现了信息系统聚集的趋势——集中服务模式。

云计算“火”起来的原因有三：一是互联网的普及，如带宽的保证，不仅是带宽越来越宽，而且保证24小时不间断的连接；二是存储成本下降非常快；三是互联网改变了人们的传统思维习惯，比如人们从习惯于一切自建到逐渐习惯于付费的网上订阅服务。云计算“火”起来的真正推手则是需求。用户无需购买服务器、存储设备，也无需建设数据中心，根据使用收费，想用多少就用多少，这些好处对用户无疑具有相当的诱惑力。分布式处理技术和虚拟化技术的进步是云计算的重要推动力，特别是在以VMware为代表的虚拟化技术供应商们的大力推动下，X86平台的虚拟化技术逐渐成熟并普及，使得数据中心的整合不再成为一件费时费力的事情，这也为云计算平台的搭建提供了条件。

云计算已成为当今最热的话题，其关键是资源集中和虚拟化技术，应当引起我们的重视。

云计算涉及国家信息基础设施的基本安全问题，不能掉以轻心。必须建立自主可控的云计算中心。网络信息技术的长远发展目标应该是真正以用户为中心，而不是以服务商为中心。变相的Client-Server结构或虚拟的Mainframe结构可能不是理想的结构。信息不同于能量，信息的根本性质是可无限次共享而本身不减少，理想的信息服务模式可能不同于电力。因此，我们需要寻求符合信息本质规律、真正以用户为中心的网络体系结构。

图3 信息产业的“三国定律”

我国信息领域的战略取向是重点跨越

技术发展主要取决于人们的战略取向

有一种观点认为：科学技术的发展很难预见，它是随机发生的，主要依靠科学家的灵机一动，技术的演进则取决于科学发明。但如果从更全面的角度认识技术变革，就会发现技术的进步很大程度上取决于人们的战略取向。

马克思曾指出：劳动资料不仅是人类劳动力发展的测量器，而且是劳动借以进行的社会关系的指示器[4]。麻省理工学院的著名技术史教授戴维·诺布尔更直接指出：技术仅仅是一种社会变量，可以根据我们的选择而做出改变。获得技术的真正成就的惟一有效方式就是变更整个体系的技术基础。这是人的问题，而不是技术问题，只有人才能解决它。这无疑是一个巨大的挑战，它要求我们从根本上反思科技的形式与作用，反思建构更为民主、更为平等、更为人道、更具有创造性的和谐社会的现实途径。新技术扩散并不是自发的市场行为而是取决于人们的战略取向。例如，创造美国制造体系的主要动机并不是经济的，而是军事的；这种新型制造方法的主要推动者并不是自我调节的市场而是站在市场之外的美国陆军军械部。因此，技术并非症结所在，也不是解决之道，真正的问题是政治、道德与文化[5]。

技术变革的主要动力是经济和社会发展的需求。发明电子计算机的驱动力来自二战时计算弹道的紧迫需求，发明晶体管的驱动力来自电话通信的交换机。远离真实需求的所谓新技术往往成为泡沫。2009年11月3日温家宝总理向首都科技界发表《让科技引领中国可持续发展》的讲话中强调：选择新兴战略性产业非常重要，选对了就能跨越发展，选错了将会贻误时机。要以国际视野和战略思维来选择和发展新兴战略性产业，着眼于引发技术和产业变革。

做出与国力相称的贡献

荷兰Groningen大学著名经济学教授A．Maddison预测：按国际上流行的购买力平价法（PPP）计算，中国经济总量2015年将超过美国，相当于美国的107%，2030年将相当于美国的138%，占全球GDP 23%[6]。2008年我国人均GDP已经超过3300美元，深圳、上海、北京、广州、苏州、杭州、佛山等市的人均GDP已超过或接近1万美元。浙江、广东、山东、江苏等省的人均GDP也超过或接近5000美元。

按照穆荣平研究员在文献[7]中论述的工业化发展与GDP的关系（见表1），可以看出，我国发达地区应进入以创造技术为主的阶段了。事实上，在英国《经济学家》公布的IT产业竞争力排名中，我国已经有明显进步，2009年排名39位（见表2），比2008年上升11位，但R&D环境与IT基础设施的得分仍然很低。温家宝总理2009年9月23日在新兴战略性产业发展座谈会上指出:“面对全球新一轮科技革命的挑战，中国完全有能力在若干关系长远发展的领域抢占经济科技制高点，使国民经济和企业发展走上创新驱动、内生增长的轨道。中国要抢占未来经济科技发展的制高点，就不能总是跟踪模仿别人，也不能坐等技术转移，必须依靠自己的力量拿出原创成果。”从现在起，信息领域应努力争取做出与国力相称的创新贡献，科技国家队要致力于做“改天换地”的科研工作。

支撑与引领“两手”都要硬

中央制定的2006～2020年科学技术发展规划纲要中两个最重要的目标是：科技对经济的贡献率提高到60%；对外技术依存度降低到30%，即平均每年科技贡献率至少要提高1～2%；对外技术依存度每年至少要降低1%。这一“率”一“度”是发展中国科技的总纲。可是，根据国务院发展研究中心的统计，2002～2006年我国科技进步对第二产业的贡献率已从上世纪90年代的37.8%下降到10%，（投资贡献率占82%）。为了应对国际金融危机，近年来国家加大了对基础设施建设的投资力度，提高全要素贡献率（即科技贡献率）的难度还在加大。

国家中长期科技发展规划纲要已制定了发展科技的十六字方针：“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”。而在实际工作中，很多科研人员却往往只重视支撑发展，忽视重点跨越和引领未来。未来10年要纠正这一倾向，支撑与引领“两手”都要硬。

回顾改革开放30年来信息科学技术的发展历程，科技界没有摆脱跟踪模仿的思维方式，30年未建立自主可控的基础信息技术平台，总是认为自己底子薄、基础差，不具备创造技术的条件，习惯于在国外的基础技术平台上做科研工作。计算机领域基本上不敢跳出Wintel平台去思考创新。但这样下去的恶果将是：今天不作引领性的科研，不重视“重点跨越”，明天就只能靠国外的技术支撑我国的产业。支撑发展、重点跨越和引领未来可以理解为自主创新的三种不同层次。我们必须统筹规划技术创新的不同模式，不断提高技术创新的水平。