普惠计算将取得重大进展

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆成都分馆信息科技团队

王立娜（E-mail:wangln@clas.ac.cn）、田倩飞、张娟、房俊民

审稿专家：中科院计算所洪学海研究员

计算机科学及其产业领域目前面临很多挑战，其中最本质的挑战是传统计算机产业正在失去发展活力。为逆转该趋势，研究人员提出了一个新的学术观点：普惠计算，即以高增值的全民普及（惠及85%以上的人口）为目标的计算机科学研究和应用[1,2]。普惠计算具备高价值、低成本、可持续3个特征，旨在突破计算机产业的传统思维，充分挖掘并满足广大民众对计算技术的消费需求，针对性地增加变革性创新的科技供给。

普惠计算需要让计算进入广大民众生产生活的业务价值层面，这意味着计算将从网络空间（cyberspace）逐步进入人-机-物三元世界，不再局限于使用计算机与网络硬件、软件和服务，而是综合利用人类社会（人）-网络空间（机）-物理世界（物）的资源，通过云计算、物联网、移动通信、光子信息等技术支撑，协作进行个性化大数据计算。这是普惠计算实现过程中计算机科学及产业所必须发生的基本性范式变革。普惠计算还需要突破通用技术账户、高效海网云平台、信息生态系统和国民信息核算等科学问题。此外，从计算产业角度看，要实现普惠计算与三元计算，需要突破的最关键产业问题是“昆虫纲悖论”。昆虫纲悖论现象是：一方面，海量用户和终端应该带来巨大的市场；另一方面，用户的需求是个性化的，缺乏可拷贝的大批量应用，而且人们也想象不出能拷贝上十亿份的批量应用。没有批量就没有低成本，没有低成本产品就不会有巨大市场，这是一个悖论。东京大学的坂村健教授对此现象提出了一种比喻性的解释：传统信息系统好像哺乳动物纲（5000物种），而物联网领域更像昆虫纲（500万物种）。如何破解昆虫纲悖论是未来人-机-物融合的三元计算系统的巨大挑战，可能的发展方向是可重构、易配置的专业化与个性化产品和服务[2]。

普惠计算是今后30年计算机科学与产业应该选择的发展方向，有望使中国计算机市场价值在2040—2050年间达到每年10万亿元[2]。人-机-物融合将令信息科技渗透到实体经济和社会服务活动中，提升生产生活的智能化水平，使民众在医疗卫生、地理信息、电子商务、科研教育、影视娱乐等方面享受更高质量服务。同时，传统计算机科学将演变为人-机-物三元计算信息科学，传统信息技术将升级为海-网-云信息网络技术，新型的硬件、软件、应用模式、协议和标准也将应运而生[3]。

人-机-物融合与普惠计算已经出现一些科研、技术和应用实例。2011年，美国国家科学基金会资助“人-机-物系统自动化实施的整体设计方法”研究，该项目将开发信息物理系统的自动化设计框架，通过脑机接口等技术增强人与由计算实体和物理实体组成的复杂系统间的交互协作[4-6]。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用人-机-物融合系统进行了安全应用研究[7]。英国帝国理工学院的研究人员们利用人-机-物融合系统将传感、通信和控制相结合，以解决应急管理研究中的难题[8,9]。

2009年，中国提出了“感知中国”的信息技术发展战略[10]，旨在通过构建普惠泛在的信息传感系统来掌控物理世界，促进“互联、互通、信息共享”物联网的发展，使信息技术的应用特征逐步从人机或物机融合向人-机-物融合演进。同年，中科院发表了《中国至2050年信息科技发展路线图》报告，指出发展普惠泛在的信息网络是我国经济社会发展和科学研究的重要需求，并提出了人-机-物三元世界和信息技术普惠大众的思想[11]。2012年，中科院启动了“面向感知中国的新一代信息技术研究”战略性先导科技专项，将通过变革性理论研究与技术创新，针对当前信息系统面临的终端规模可扩展性、海量数据处理、能耗和安全四大根本性挑战，创建满足“人-机-物”三元融合需求的新一代信息技术体系[12]。作为该专项的重要部分，海云计算技术将研究具备与人交互、云端协作和物理世界感知功能的信息系统。针对化解昆虫纲悖论，中科院计算技术所提出了可重塑处理器构想[13]。中国“863”计划开展的“智慧城市”、“智能物联网关”和“智能家居监控与管理系统”研究等也体现了人-机-物三元融合及普惠计算的研发趋势和应用前景。鉴于此，中国有可能在未来10年在普惠计算发展模式上走在世界前列，改变长期以来信息产业受制于人的局面。

1 Xu Z and G Li.Computing for the masses.Commun.ACM,2011,54（10）：129-137.

2 徐志伟,李国杰.普惠计算之十二要点.集成技术,2012.1（1）：20-25.

3 中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择.北京:科学出版社,2013.

4 Schirner G,Erdogmus D,Chowdhury K et al.The Future of Human-in-the-Loop Cyber-Physical Systems.Computer,2013，46（1）：36-45.

5 Holistic Design Methodology forAutomated Implementation of Human-in-the-Loop Cyber-Physical Systems.http://www.nsf.gov/awardsearch/showAward?AWD_ID=1136027&HistoricalAwards=false,2011.

6 Holistic Design Methodology forAutomated Implementation of Human-in-the-Loop Cyber-Physical Systems.http://www.nsf.gov/awardsearch/showAward?AWD_ID=1135854&HistoricalAwards=false,2011.

7 Cyber-Physical-Human Systems.http://naira.mechse.illinois.edu/network-control/.

8 Desmet A，Gelenbe E.Graph and Analytical Models for Emergency Evacuation.Future Internet,2013，5（1）：46-55.

9 Gelenbe E,Gorbil G,Fang-Jing W.Emergency Cyber-Physical-Human Systems.in Computer Communications and Networks（ICCCN）,201221st International Conference on,2012.

10 许金叶,袁树民.基于人机物三元世界成本信息系统的数字鸿沟.会计之友,2012，（2）：25-27.

11 中国科学院信息领域战略研究组.中国至2050年信息科技发展路线图.北京:科学出版社,2009.

12 中国科学院将研发“人机物”融合的新一代信息技术体系.http://finance.china.com.cn/roll/20120815/948434.shtml.2012.

13 Qi Guo,Tianshi Chen,Yunji Chen et al.Effective and ef ficientmicroprocessor design space exploration using unlabeled designconfigurations.Proceedings of the Twenty-Second international joint conference onArtificial Intelligence.AAAI Press:Barcelona,Catalonia,Spain.2011：1671-1677.