信息技術(shù)變革呈指數(shù)級(jí)加速發(fā)展，人類(lèi)正在奔向完全數(shù)字化的未來(lái)。美國(guó)政府近期公布《國(guó)家網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略規(guī)劃》，力圖維持其技術(shù)卓越地位，將人機(jī)協(xié)同、高可信和網(wǎng)絡(luò)化教育這三大理念作為戰(zhàn)略規(guī)劃的根基，明確了人人享用數(shù)字世界、先進(jìn)計(jì)算、智慧地球、知識(shí)發(fā)現(xiàn)等人機(jī)協(xié)同理念下的七項(xiàng)戰(zhàn)略要素。

在整個(gè)信息技術(shù)革命過(guò)程中，美國(guó)在信息技術(shù)發(fā)明與應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先。美國(guó)政府近期制定的《國(guó)家網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略規(guī)劃》呈現(xiàn)了對(duì)21世紀(jì)數(shù)字世界的愿景，希望下一代信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施使美國(guó)在經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新、科學(xué)發(fā)現(xiàn)、國(guó)家安全、教育、能源與環(huán)境、健康以及生活質(zhì)量方面繼續(xù)處于領(lǐng)先地位。在未來(lái)愿景中，高速的網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、軟件、設(shè)備、數(shù)據(jù)及應(yīng)用將完全安全可靠，多模式融合，且易于使用。

迄今數(shù)字時(shí)代的焦點(diǎn)一直是新穎的機(jī)器，如今必須把注意力轉(zhuǎn)向人，以及數(shù)字化能力與數(shù)字資源的無(wú)縫集成與利用?！叭藱C(jī)協(xié)同”（WeCompute）理念是美國(guó)信息技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃的根基之一，它明確了21世紀(jì)的技術(shù)方向是人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間更為緊密、更富成效的伙伴關(guān)系。

一、人人享用數(shù)字世界

未來(lái)的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施將隨時(shí)隨地可用，能夠讓經(jīng)過(guò)授權(quán)的任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)以付得起的成本盡情使用（簡(jiǎn)稱(chēng)“A7環(huán)境”）。未來(lái)全球互聯(lián)網(wǎng)將快速擴(kuò)張，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將迅猛發(fā)展。但是，目前的互聯(lián)網(wǎng)還不夠健壯和先進(jìn)，難以滿足未來(lái)各種規(guī)模的設(shè)備、數(shù)據(jù)和人之間互相聯(lián)接并即時(shí)通信的需要。要使未來(lái)的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施功能更強(qiáng)和規(guī)模更大，除了基礎(chǔ)性的網(wǎng)絡(luò)研究外，還需要一系列的信息技術(shù)進(jìn)步，還需要解決一系列的問(wèn)題，例如電力消耗，語(yǔ)言障礙，數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和軟件的互操作，系統(tǒng)的適應(yīng)性，資源的無(wú)縫獲取，有益于節(jié)能和微型化的新材料研發(fā)，以及動(dòng)態(tài)安全與隱私保護(hù)。

無(wú)線寬帶接入將發(fā)揮核心作用。無(wú)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(shù)與監(jiān)管方案將對(duì)無(wú)線寬帶經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響，研發(fā)時(shí)機(jī)已經(jīng)到來(lái)。

二、加快高性能計(jì)算的未來(lái)進(jìn)程

高性能計(jì)算領(lǐng)域存在各種技術(shù)挑戰(zhàn)，不僅包括更好的系統(tǒng)硬件和軟件，還包括更有效的服務(wù)方式（如云計(jì)算），數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步，以及使先進(jìn)的科學(xué)應(yīng)用程序易于開(kāi)發(fā)和使用的新的編程環(huán)境和工具。

要使軟件能夠充分利用有多達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)微處理器的異構(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有必要使用大規(guī)模并行處理方式，但這給系統(tǒng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者提出了巨大挑戰(zhàn)。在目前的系統(tǒng)復(fù)雜水平上，由軟件問(wèn)題引起的停機(jī)時(shí)間在總運(yùn)行成本中的比例正在上升。一個(gè)大有前景的研發(fā)途徑就是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也就是使高性能計(jì)算系統(tǒng)在軟件出現(xiàn)故障、異常和錯(cuò)誤時(shí)還能繼續(xù)運(yùn)行，并向操作人員發(fā)出問(wèn)題警告，而無(wú)需停機(jī)。

大規(guī)模高性能計(jì)算系統(tǒng)和設(shè)施的能源需求穩(wěn)步上升，節(jié)能技術(shù)研發(fā)對(duì)超級(jí)計(jì)算的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展也至關(guān)重要。為取得科學(xué)突破，必須在電源管理和散熱技術(shù)、納米復(fù)合材料、新穎的節(jié)能平臺(tái)和系統(tǒng)構(gòu)架、自旋邏輯器件和云計(jì)算等計(jì)算技術(shù)與方法、下一代計(jì)算概念如量子信息科學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)行全面研究。納米科學(xué)、生物科學(xué)和量子科學(xué)的進(jìn)步還會(huì)產(chǎn)生徹底不同的構(gòu)架和計(jì)算方法，構(gòu)成下一代計(jì)算的基礎(chǔ)。

三、發(fā)展社會(huì)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)

21世紀(jì)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(shù)字世界的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；數(shù)據(jù)量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)和數(shù)據(jù)存取方式的變化；用于國(guó)防、商業(yè)和金融等部門(mén)的超可靠、超安全的網(wǎng)絡(luò)；為數(shù)據(jù)密集型科研提供端到端的寬帶、性能和服務(wù)所需的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如全光纖網(wǎng)絡(luò)）；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。需要推進(jìn)的核心研發(fā)領(lǐng)域包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)管理、隱私與安全以及易用性。

要取得可廣泛部署的創(chuàng)新成果，研發(fā)議程有三個(gè)要素：一是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、理論模型、分析技術(shù)、硬件、安全與穩(wěn)私、中間件等支持下一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究；二是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者、使用者和利益相關(guān)者開(kāi)展合作，就國(guó)家安全、科技領(lǐng)先和人類(lèi)健康等領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題檢驗(yàn)基礎(chǔ)研究的構(gòu)想；三是有利于認(rèn)識(shí)和建立新的技術(shù)與數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并能提高其性能的網(wǎng)絡(luò)原型和試驗(yàn)平臺(tái)。研究、合作和網(wǎng)絡(luò)原型及試驗(yàn)平臺(tái)這三個(gè)要素密不可分。

四、建立智慧地球

未來(lái)地球?qū)⒏又腔?，各種類(lèi)型的物體、設(shè)備和大型實(shí)體系統(tǒng)將相互聯(lián)接，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，按照指令與人們一起執(zhí)行任務(wù)，使人們的利益最大化。智慧地球還能讓人們實(shí)時(shí)協(xié)作，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地建立將人與設(shè)備、數(shù)據(jù)、信息、計(jì)算平臺(tái)和各種應(yīng)用相聯(lián)的特定臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。智慧地球既包括自主執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)，也包括網(wǎng)絡(luò)化的物理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算系統(tǒng)與工程化的物理系統(tǒng)的深度融合，用以監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)物理系統(tǒng)的性能與行為。這樣的系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)美國(guó)的國(guó)防與情報(bào)系統(tǒng)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)流程控制系統(tǒng)、大型民用系統(tǒng)的有效運(yùn)行至關(guān)重要。從全球來(lái)看，對(duì)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的需求正在日益增長(zhǎng)。

工程系統(tǒng)與產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化對(duì)于這些系統(tǒng)發(fā)揮更大作用正變得十分重要。今后需要開(kāi)展新的系統(tǒng)科學(xué)研究，提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)、模型、工具、系統(tǒng)能力和構(gòu)架，促進(jìn)高可信、網(wǎng)絡(luò)化的工程系統(tǒng)與自然系統(tǒng)的創(chuàng)新。在這一研究領(lǐng)域，還有必要更加深刻地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性，以幫助改善管理和決策支持。

五、設(shè)計(jì)精密復(fù)雜的軟件

與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，軟件使數(shù)字世界成為可能，指揮計(jì)算機(jī)和設(shè)備發(fā)揮作用，并發(fā)出計(jì)算機(jī)應(yīng)用指令。軟件越復(fù)雜，就越有可能出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的意外行為，這增加了系統(tǒng)失靈的風(fēng)險(xiǎn)，有可能對(duì)企業(yè)、服務(wù)、設(shè)備或用戶造成顯著影響。

軟件開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)是增量變化，這不足以解決現(xiàn)代關(guān)鍵系統(tǒng)的復(fù)雜性問(wèn)題。提高軟件系統(tǒng)的質(zhì)量、成本有效性和可持續(xù)性成為主要技術(shù)挑戰(zhàn)，這需要突破性創(chuàng)新，包括從基礎(chǔ)科學(xué)與工程研究到軟件應(yīng)用。也需要重新思考軟件設(shè)計(jì)，包括從基本設(shè)計(jì)理念、軟件演化、軟件適應(yīng)性到人機(jī)無(wú)縫融合的先進(jìn)系統(tǒng)。還需要有新的實(shí)踐、技術(shù)、工具和評(píng)測(cè)方法，以減少軟件開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、缺陷和漏洞。

六、從數(shù)據(jù)到新知識(shí)

目前，人類(lèi)產(chǎn)生電子數(shù)據(jù)的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其管理和有效利用數(shù)據(jù)資源所需的技術(shù)進(jìn)步速度。超大規(guī)模的數(shù)據(jù)集（即“大數(shù)據(jù)”）是可能蘊(yùn)含新知識(shí)的寶藏，然而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施還達(dá)不到在臺(tái)式機(jī)上存取和處理大數(shù)據(jù)的端到端的性能水平。我們需要更強(qiáng)大、更精細(xì)的工具，去深挖數(shù)據(jù)寶藏，將各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，并可視化地表達(dá)出來(lái)，以便發(fā)現(xiàn)那些有可能帶來(lái)新見(jiàn)解的重要事項(xiàng)、模式和關(guān)系。

為支持個(gè)人、組織和社會(huì)進(jìn)行復(fù)雜的思考、分析以及及時(shí)行動(dòng)和決策，必須積極響應(yīng)用戶的需求和專(zhuān)長(zhǎng)，管理、存取和吸收多種來(lái)源和形式的大規(guī)模原始數(shù)據(jù)信息（如傳感器數(shù)據(jù)）。21世紀(jì)，科學(xué)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)極其龐大，運(yùn)用信息促進(jìn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)和決策面臨重大研發(fā)挑戰(zhàn)，需要從信息標(biāo)準(zhǔn)、決策支持和信息管理等方面加以解決。

七、開(kāi)拓社會(huì)智能系統(tǒng)

開(kāi)源軟件開(kāi)發(fā)和眾包等新型合作交流形式脫穎而出，表明將人機(jī)融合的新型社會(huì)智能形式具有潛力。社會(huì)智能系統(tǒng)可以是由單人和單臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)，也可以指全球大量的人和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)。在社會(huì)智能系統(tǒng)中，眾人在更好的計(jì)算環(huán)境中群策群力，解決極其復(fù)雜的問(wèn)題，人與機(jī)器將發(fā)揮各自的長(zhǎng)處。這種環(huán)境將包括更強(qiáng)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(tǒng)和聲譽(yù)系統(tǒng)之類(lèi)的創(chuàng)新已經(jīng)使電子商務(wù)和在線交流發(fā)生了變革，網(wǎng)絡(luò)化支撐的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和虛擬組織則促進(jìn)了科學(xué)進(jìn)步。然而，今天的系統(tǒng)還只是未來(lái)更為強(qiáng)大的社會(huì)智能系統(tǒng)的一絲征兆而已。今后，社會(huì)智能系統(tǒng)研究需要把計(jì)算機(jī)作為智力參與者，也需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)人們?nèi)绾巫罴训亻_(kāi)展大規(guī)模實(shí)時(shí)協(xié)作，從而更好地把握哪類(lèi)問(wèn)題最適合人機(jī)協(xié)同。機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能，身臨其境式虛擬環(huán)境與四維觸摸顯示器，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)、模擬和管理，計(jì)算攝影學(xué)，圖形學(xué)與可視化，社會(huì)機(jī)器人和仿人機(jī)器人，語(yǔ)音識(shí)別，自然語(yǔ)言理解與對(duì)話系統(tǒng)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)理論的計(jì)算機(jī)化將是今后的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。