科研信息化简介

2019年7月25日08:08:42科研信息化简介已关闭评论 34 views

科研信息化的产生

人类社会的不断进步对科学研究提出了越来越高的要求。今天,科学研究的前沿正在从微观和宏观两个方向上向着未知的领域大踏步地前进,已经前进到一个更加复杂深奥的世界,对科研方法和手段也提出了新的挑战。科学研究的对象也大大超越了简单的孤立系统,而向着大范围、多领域的复杂系统工程进军。例如,航天工程、全球气候、生态环境问题等等。显然,现代科学研究的对象已经变得越来越复杂,这无疑是一个挑战。

传统的科研方式由于其具有较大的封闭性,导致不同地区的科研机构和人员间交流不足,导致重复劳动,这造成了科研资源的巨大浪费。而今,科研的方法和环境在不断变化。在这个信息爆炸的时代,科研活动之间的交流、科研信息的获取和处理,都在发生着许多新的情况和新的问题。因此,最大限度地满足科研机构和人员之间交流与协作的需要,有效共享浩如烟海的信息,是现代信息通信技术给传统科研带来的巨大变革。

从国际上来看,国外对科研信息化的普遍叫法是e-Science,提出这一概念的英国科技部主任John Taylor给出了这样的定义:“e-Science是指在重要的科学领域中的全球性合作,以及使这种合作成为可能的下一代基础设施。”其中一个核心的要素就是资源共享,跨地合作,这也被认为是发达国家科研信息化之所以成效显著的关键所在。

从我国传统科研活动的进行情况来看,科研手段受到很多局限,特别是缺乏模拟、仿真的能力。因此,传统的科研活动中常常存在周期长、成本高的现象,甚至许多实验是根本不可能做的,这些都曾造成“无米之炊”的困境。而计算技术的出现及飞速发展则大大改变了这一切,使得全球性的、跨学科的、大规模科研合作,跨越时间、空间、物理障碍的资源共享与协同工作成为可能,这将改变科学家从事科研活动的方法和模式,极大地促进交流合作,推动科学研究的发展。科研信息化已经成为整个社会信息化的前卫,是下一代互联网络技术及信息基础设施在科研领域的率先应用。

科研信息化的内涵

e-Science的实质就是“科学研究的信息化”,是信息时代中科学研究环境和科学研究活动的典型体现。它不仅包括采用最新的信息技术,如Grid等,建设起来的新一代的信息基础设施,更有在这种基础设施和相关支撑技术构成的平台上开发的科学研究的应用,以及科学家们在这样一个前所未有的环境中进行的科学研究活动。e-Science的实现将为科学家们提供一个信息化的科学研究环境,改变他们从事科学研究活动的方法和手段,甚至直接影响到一些学科的发展。

科研信息化的意义

既然e-Science的实质可以看作就是科学研究的信息化,那么这与整个社会的信息化也是密切相关的。从国民经济信息化到企业信息化,到城市信息化,到政府信息化,等等,信息化的重要性及意义已经被讨论了很多,也得到广泛的认识。而科研信息化在整个社会的信息化进程中其实扮演了特殊的重要角色。从Internet的发展历史中可以看出,新技术最先在科研领域得到应用,然后是逐步地商业化,并扩展到全社会。当前,在下一代互联网技术以及其他未来信息技术的研究中,e-Science正代表了这样一种方向,e-Science正是下一代信息基础设施在科研领域的率先应用。所以说,科学研究的信息化是超前于整个社会的信息化,做好e-Science的工作,一方面能够大大提升科学研究的方法、手段和水平,另一方面也为整个社会的信息化探索道路。总之,在整个信息化浪潮的大背景下,e-Science科学研究的信息化具有特殊的重要意义[1] e-Science给科学研究活动所带来的变化是前所未有的、革命性的,其可能产生的深远影响也是绝对不容忽视的。最重要的一点就是e-Science使得一种崭新的从事科研活动的方法和模式成为可能,这包括全球性的、跨学科的、大规模科研合作,跨越时间、空间、物理障碍的资源共享与协同工作,等等。可以预见,如果e-Science能够实现,那么对于科研信息在整个科学界的充分共享,缩小科学研究领域的数字鸿沟,加速发展中国家的科技进步,以及人类科学研究的更快发展,将具有划时代的意义。而且,也可以看出,e-Science对于发展中国家的跨越式发展具有特别的意义。

科研信息化发展态势综述

随着现代科学从微观和宏观两个层面向纵深发展,变得空前复杂化,通信和计算机技术已成为目前科学研究活动的必备手段,同时科研信息和科研设备的共享,以及全世界科研人员间跨领域跨地域的合作也变得前所未有的重要,在此形势下科研信息化应运而生。

科研信息化最早得名于英国的e-Science计划,是指建立在新一代网络技术和网格基础上的全新科学研究模式。中国科学院副院长江绵恒指出,科研信息化的实质就是“科学研究的信息化”,包括两个基本方面:一是信息化的基础设施,比如英国、欧盟的e-infrastructure和美国的cyberinfrastructure建设;另一是信息化的科研活动。所谓科研信息化就是在信息化基础设施支持下的科研活动。目前,许多国家都部署了国家层面推进科研信息化的计划。

2001年英国政府投入1.2亿英镑启动e-Science计划,由英国科技办公室负责统一管理,英国研究理事会总会负责协调,整体上分为e-Science核心计划与各个研究理事会的e-Science计划两大部分。目前英国的e-Science计划已经进入第三阶段的发展,重点是科研信息化基础设施(e-infrastructure)建设。美国自2002年以后,逐步形成了对建设信息化基础设施(Cyberinfrastructure)的认识。美国Cyberinfrastructure建设的运行管理由NSF下属的网络基础设施办公室全权负责,其已资助开展多个基础学科项目和技术项目,其中2001年启动的TeraGrid已成为世界上最大、最全面、用于开放科学研究的分布式网络基础设施。欧盟的科研信息化建设大体可分为三个阶段,分别以欧洲数据网格(EDG)、科研信息化网格(EGEE)和欧洲网格计划(EGI)三个网格项目为代表。EGEE现已成为世界最大的多科学网格,欧盟今后将支持欧洲e-Science网格向新的互操作、可持续模式转型,开展欧洲网格计划(EGI),建立泛欧网格基础设施。其他国家和地区也相当重视科研信息化的发展,澳大利亚最近启动了超级科学行动计划,日本继续推进NAREGI国家网格项目的建设,韩国启动了国家e-Science计划,德国、荷兰、意大利、法国也纷纷启动网格基础设施建设,北欧、东南欧、波罗的海地区陆续启动网格计划,并逐步实现与EGEE的融合,此外,在EGEE的支持下,面向欧洲和拉丁美洲的e-Science网格设施EELA也得到长足发展。

根据当前世界各国科研信息化的发展状况,信息化基础设施建设的热点和趋势集中于五大紧密联系的领域。

(1)宽带网络尤其是科研教育专用网络的建设,是一切基于网络的科研信息化活动的基础,当前世界各国都在竞相展开高端科研教育网络建设。目前,全球大规模学术网基本可分为三大主体:欧盟的GÉANT、北美的Internet2和亚太地区的APAN。此外还有其他一些跨国跨洲的大型科研网络,如连接中美俄的GLORIAD、连接欧洲和拉丁美洲的ALICE、连接中国和欧洲的ORIENT等。

GÉANT计划之前主要注重创建高容量的网络,已于2009年初完成。从2009年4月开始GÉANT计划进入第3阶段GÉANT3,将延续4年。GÉANT3计划更强调开发与提供工具和服务,为科研教育团体提供最佳性能的GÉANT网络和世界一流的可靠服务。GÉANT3计划意欲将用户群拓展到新的学科、项目和机构,联系起生命科学、空间计划(ESA)、对地观测、气候研究、气象学、聚变研究(ITER)、高性能数字计算(PRACE)和其他新兴项目,在更广泛学科领域内成为欧洲信息化基础设施(e-Infrastructure)的可靠服务组成。GÉANT未来面临的挑战是要能支持exascale(即每秒进行1018次运算)运算,改善网络使用的便利性以增进全球合作,整合最新技术以支持未来互联网设计。

从上世纪90年代中叶起,美国就陆续提出下一代网络建设的三大计划:美国政府的下一代互联网(Next-Generation Internet,NGI)计划、美国国家科学基金会(NSF)的超高带宽网络服务(Very High Speed Backbone Network Service,VBNS)计划和Internet2计划。其中VBNS和Internet2与科研信息化紧密相关。Internet2主要目标是:建设高性能的边缘网络,为科研提供基础设施;开发具有革命性的互联网的应用技术;促进新网络服务及应用在互联网上推广。Internet2主要致力于各种类型的合作。Internet2连接着超过200家大学与研究机构,主要网络基础设施建设项目包括Abilene、GigaPoPs和FiberCo等。Internet2进行了核心中间件的开发,如shibboleth项目;参与某些中间件整合计划,如MedMid(MedicalMiddleware,医学中间件)和VidMid(视频中间件)等。Internet2的最新进展是通过光纤将网内传输速率提高到100Gb/s。

亚太地区先进网络APAN的各主要组成网络如澳大利亚的AARNet、日本的SINET3、中国的CERNET在传输速度、覆盖范围等各方面均取得了长足的进步。

(2)科学数据中心建设和数据存储、分析、管理等服务的提供能力迅速发展,已经从支撑科技活动的基础资源演变为支撑国家科技创新发展的重要资产和战略资源。如近年国际启动了一大批有代表性的数据中心建设计划,如美国的DateNET计划、英国数字典藏中心DCC、澳大利亚的科研信息共享计划(ARDC)、英国合格晶体结构数据中心建设项目(CCDC)等,在自动化技术、存储管理技术、高可用性/灾难恢复、虚拟化等方面取得了进展。

(3)超级计算与高性能计算服务获得高度重视。高性能计算的能力不断提高,以美国NSF资助的Track 1和Track2、美国能源部的ASC计划、美国国防部的“先进高性能计算计划”(UHPC)、欧盟的DEISA等计划的推进极大地推动了超级计算的发展。该方向的发展态势显示利用多核/众核CPU组建大规模集群系统、并行计算不可获缺、GPU与CPU的竞争加剧、绿色IT与能耗问题渐受重视、云计算方兴未艾。

(4)虚拟科研组织和虚拟科研环境建设不断加强。美国NSF推动的社会技术系统虚拟组织计划(VOSS)、英国的虚拟科研环境计划(VRE)、GOLD计划、欧盟D4Science和D4Science-II项目等使虚拟科研环境的建设不断迈上新台阶。

(5)网格建设及相关技术迅速发展。网格标准渐趋统一,Web服务与网格相融合,网格计算与云计算竞相发展。

此外,在信息化基础设施的基础上,世界各国纷纷在信息化条件支撑下广泛展开科研活动,覆盖粒子物理、天文学、生物学、地球科学、大气科学和生态学等多个学科领域。典型的应用项目包括大型强子对撞机(LHC)及其计算网格(LCG)、平方公里阵列(SKA)射电望远镜计划、欧盟的气候项目Metafor和Climate-G等。随着科研信息化的飞速发展,今后必将有越来越多的工作能够借助信息化设施开展多层次、多学科、大范围、跨地区的研究,取得重大的突破性进展。

weinxin
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