美国《国家战略性计算计划(更新版):引领未来计算》(2019年11月)

2019年12月30日00:03:45美国《国家战略性计算计划(更新版):引领未来计算》(2019年11月)已关闭评论 64 views

战略计算快速行动委员会

网络与信息技术研究与发展小组委员会

国家科学技术委员会的科学技术企业委员会

2019年11月

国家科学技术理事会

在国家科学和技术委员会(NSTC)是由行政部门跨越各种实体组成的联邦研究和开发企业协调科学和技术政策的主要手段。NSTC的主要目标是确保科学技术政策的决定和计划与总统规定的目标相一致。国家科学技术委员会(NSTC)制定研究和开发策略,这些策略在联邦机构之间进行协调,旨在实现多个国家目标。NSTC的工作是根据委员会组织负责监督小组委员会和工作组侧重于不同方面的科学和技术。更多信息可从https://www.whitehouse.gov/ostp/nstc获取。

科学技术政策办公室

科学技术政策办公室(OSTP)是根据1976年《国家科学技术政策、组织和优先权法》设立的,旨在向总统和总统行政办公室内的其他人员提供有关科学、工程和技术方面的建议经济,国家安全,国土安全,卫生,外交关系,环境以及技术的恢复和资源利用等方面。OSTP领导机构间科学和技术政策协调工作,协助管理和预算办公室对预算中的联邦研究与开发进行年度审查和分析,并为总统就重大问题进行科学分析和判断提供资源联邦政府的政策、计划和方案。有关更多信息,请访问https://www.whitehouse.gov/ostp 。

网络和信息技术研究和发展计划

网络和信息技术研究与开发计划(NITRD)是国家在计算,网络和软件领域由联邦资助的协调性信息技术研究与开发(R&D)的主要来源。由NSTC科技企业委员会NITRD小组委员会指导的多机构NITRD计划,旨在提供研发基础,以确保美国继续保持技术领先地位,并满足先进IT 国家的需求。国家协调办公室(NCO)支持向其报告的NITRD小组委员会和机构间工作组(IWG)。有关更多信息,请访问https://www.nitrd.gov/about 。

战略计算快速行动委员会

该NITRD 小组委员会的快速跟踪行动委员会(FTAC)的战略计算是建立以更新、宣传目标和必要的方法,以加强在战略计算的研究、开发和部署方面美国的科学、技术和经济领导地位。有关更多信息,请访问https://www.nitrd.gov/news/Updating-US-Strategic-Computing-Objectives.aspx 。

目录

缩写................................................. ................................................... ................iii

执行摘要 ................................................ ................................................... ......... iv

1.推动计算的未来.................................................... ................................................... 1

未来的计算硬件注意事项和期望..................................................... .............. 1

软件注意事项和挑战.............................................. ................................................ 2

建议...................................................... ................................................... ............................... 2

2.为计算提供战略基础................................................... ..................... 3

下一代准备工作:硬件和软件的基础结构................................................. 3

数据注意事项和挑战.............................................. ................................................... ..... 4

网络安全:问题,挑战和机遇................................................... ................................ 4

网络基础设施服务:机遇与挑战..................................................... ................... 4

劳动力考虑因素和挑战.............................................. .............................................. 5

建议...................................................... ................................................... ............................... 5

3.确保协作和协调的方法.................................................... .............. 6

工业界,学术界和美国联邦机构之间的合作伙伴关系................................................. ........... 6

联邦协调... ................................................... ............................ 7

建议...................................................... ..................................................7

缩略语

DARPA  美国国防部高级研究计划局

DOD 国防部

DOE美国能源部

ED 教育部

DHS 国土安全部国土安全部

FBI 联邦调查局

FTAC 战略计算快速行动委员会

HEC 高端计算

NASA 美国国家航空和航天局

NIH 美国国立卫生研究院

NIST 国家研究所的标准和技术

NITRD 网络和信息技术的研究和开发(NSTC小组委员会和计划)

NOAA 国家海洋和大气管理局

NSA 国家安全局

NSF 国家科学基金会

NSTC 国家科学技术委员会

ODNI 办公室的的主任的国家情报

OSTP 科学与技术政策办公室

R&d 研究和开发

RFI 信息邀请书

USGS 美国地质调查局

执行摘要

由于对新的和潜在的颠覆性技术引进以及新的数据密集型应用的需求,在国家计算全景正在沿着多个维度快速发展。计算机体系结构和系统是更异构和复杂,与复杂性和可持续性软件相关的挑战是重要的。应用程序开发人员被呼吁去满足可用性和生产力的需求。因此,为了解决这个新的环境问题,有必要以政府,学术界和行业整体参与、各方协同的方式更新2016年美国战略计算计划。在2019年6月,科学和技术政策办公室与国家科学和技术委员会的网络和信息技术研究和发展小组委员会成立了战略计算快速行动委员会以解决这个当务之急。

《国家战略计算计划更新》以2016年《战略计算计划》为基础,旨在使未来的计算技术能够进行集中和协作的研究,开发和部署,从而造福于国家。实现国家战略计算计划的成功至今,此更新检步骤那些人以后准备实施了实现计算的生态系统是结合了异构计算系统(从超大规模,以边沿为中心的系统及以后)与该网络,硬件,支持国家安全和国防以及美国科学,工程和经济领导地位所需的软件,数据和专业知识。

确定的重点目标是:

1. 引领数字和非数字计算的新前沿研究,以解决科学和技术在21世纪机遇和挑战。

2. 开发、拓展并提升国家的计算基础设施和生态系统。

3. 为未来的计算建立和扩大合作伙伴关系,以确保美国在科学、技术和创新方面的领导地位。

接下来包括战略计算的未来,并提出了一系列建议主要目标,以实现这些目标,这将扩大我们的科学知识,使经济增长,并改善我们的国家安全。这些建议和目标是通过参与决定与政府,学术界,以及行业通过各种手段,包括一个信息邀请书(RFI)和一个未来的计算社区的兴趣会议。

1、推动计算的未来

目的:引领新前沿的数字和非数字计算到定位的科学和技术在21世纪的机遇与挑战。

由于摩尔定律中技术进步的缓慢发展,丹纳德定标的终结以及当前技术系统的不可持续的功率要求,计算领域正在迅速发展。重要颠覆性的新兴技术和范式可以被发现在各个级别的系统,从硬件设备到系统架构,再到软件堆栈。算法和编程模型日益复杂(旨在克服这些干扰并将其集成到现有应用程序中以增强性能)加剧了这一挑战。同时,应用程序的工作流程也在不断发展,这些新需求要求集成各种平台,包括在既有架构中以及那些以网络为中心和边缘计算的平台。

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作为该协会的计算图灵奖获得者约翰· 轩尼诗和戴维· 帕特森写道,“在未来的十年将会看到一个寒武纪大爆发的新型计算机体系结构,这意味着在学术界和工业界的计算机设计师激动人心的时刻。”

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尽管令人兴奋,但这些技术进步具有深远的影响,在重新审视美国战略计算计划时必须考虑这些后果。

未来的计算硬件注意事项和期望

最近的性价比动力学导致前沿计算的硬件是“商品化” 和无处不在的,都在它的接入和使用,跨越多的的科学和工程企业。这有利于民主化解决许多科学具有挑战性的问题,例如,通过将出现的云服务提供商。未来的计算系统将是非常多核和同质一个单一的节点或柜,并会越来越多地参与实践,将异构处理器,异构的回忆和模型,新的互连技术,专用和节能架构,以及一些非冯·诺依曼计算元件,例如如那些基于对神经形态和量子技术。

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NVIDIA 响应于该RFI:“展望未来,在实际实现的减缓技术的比例将有可能需要一个范围的方法,包括:(1)架构是整合越来越多的专业加速器硬件; (2)封装,信令和互连技术,可在“节点”和“系统” 级别上实现更大的扩展;(3)新的设备(例如,碳纳米管FET)的该可提供更小的数字设备在低功率; 和(4)新颖的计算技术,例如如模拟、量子、神经形态那可能需要对算法进行根本性的改变“。

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软件注意事项和挑战

支持未来计算生态系统的软件必须在以下方面取得平衡:开发,调试,验证和确认的效率;可用性,可复制性,可管理性,可扩展性和可持续性;以及性能和可扩展性。软件必须能够操作在多种模式和高度的平行度,与高效管理的存储器和输入/输出(I / O),同时也支持工作流可组合和执行。新兴的未来计算技术提出新的机会(例如,实时响应,嵌入式处理来自传感器或执行器,以及模型和实验转向数据),但也将需要新的算法,计算模型,数据,编程环境,和软件堆栈。这种转变将需要相当大的支持和一个雷克升反思的该软件的标准编程模型中使用的基础设施。软件开发,包括迁移(常遗留)应用到新的系统,仍然是一个挑战,并防止利用社区的现有的和新兴的处理能力。这是有可能的,因为到了越来越多的复杂应用程序和硬件环境,是一些未来的软件开发和测试会说谎以及超越人类的时间尺度的发展,并由此来进行通过软件本身。

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AMD 回应到的RFI: “ 这是可能的,以抽象和简化太多的复杂性,从而是程序员可以利用简单的模型的一个系统,并提高其生产力。有用的软件抽象提高开发人员的效率,降低执行风险由静音的认知噪声产生的复杂性“。

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推荐建议

为了从边缘到百亿亿甚至更有效地利用国家的计算生态系统,美国政府可以:

 拥抱一个多样化的硬件和软件的方法为在未来的计算和杠杆作用的创新生态系统,以:留在了最前沿的计算,增加专注于可用性和生产率,降低门槛,以利用为研究和应用,并支持集成的边缘资源和数据与传统的计算平台,包括新出现的数据驱动的应用程序;

 提供早期进入到新的硬件,软件以及系统平台是有需要识别和支持有前途的研究方法,并以减少时间来部署;

 识别和优先级的软件研发所需要的对未来的计算;

 鼓励开发、部署和维持的软件工具,框架和系统;

 产业界、学术界以及美国政府实验室参与,以协调的软件开发和可持续发展的努力,通过联盟与其他形式的伙伴关系。

为了能够发展端到端的应用程序的工作流程和集成系统,以解决紧迫的科学、工程和国家安全挑战,对美国政府应该:

 培育充分参与未来通过与来自全国各地的利益相关者的工作计算社区的国家,准备以确保这即将到来的硬件和软件发展以在一个及时的方式充分使用来支持应用程序;

 鼓励新颖解决方案,利用在网络和边缘处理能力,以处理数据接近到所述源作为部分的端至端应用的工作流程;

 鼓励应用专家的跨学科小组,最终用户,开发者和研究人员,以使新的,集成的解决方案,以适当的安全方面的考虑,对地址紧迫的计算挑战以及对扩大的用户基础;

 促进及时获得用于开发的技术,架构和系统来进行了研究需要来创造的未来计算软件生态系统。开发商也应该有一个机制来提供前期投入到即将推出的硬件发展的讨论,以确保设计决策帮助用户采取优势的新硬件更快。

要探索对计算的关键基础科学和技术限制,为了以最大限度地提高新的计算硬件、软件、架构和新的计算范式的优势上的应用程序,并确这些研究转换成部署的技术,美国政府可以:

 支持计算基础科学和技术的持续长期研究与开发(R&D),以确保美国在未来几十年中在计算领域的领导地位;

 支持快速转换基础R&d和技术来解决科学难题的要求的有效集成的先进的软件和硬件;

 支持的集成和互操作的应用软件通过了发展和提升的科学网关、门户网站,以及相关的工作流工具和完善,以实现更高效的方法来解决具有挑战性的科学和技术问题。

充分利用这些新兴产生于R&d 的计算领域的多元研究机会和系统,来保持国家繁荣、保证国家安全,并为国家提供了一个强大的技术和科研基础。

2. 为计算提供战略基础

目的:开发,拓展,以及推进的计算基础设施和生态系统。

跨越发展的未来颠覆性架构和技术趋势计算领域,而新兴的应用程序工作流的发展趋势是越来越多地集成模拟,汇合传统的数据分析,以及机器学习模型,需要一个灵活的,强大的,安全的,可用的,能够和可持续计算生态系统。这样的生态系统必须整合新兴的和未来的硬件平台与在必要的软件,数据,和网络专业知识。

下一代准备工作:硬件和软件的基础结构

在新兴的高多核异构,和高能效的架构保证一个革命的计算能力来解决具有挑战性的科学和技术问题。这是也是至关重要的,探索新的软件,方法是将让我们以有效地利用这种硬件来促进科学。继续这种进步,需要一个持续的投入到了探索的新材料,设备,范式,技术和基础设施在该形式的代工厂,测试平台,实验系统原型,并在供应链。服务需要,以支持对使用的这些新的计算模式也需要考虑。

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计算社区联盟响应到RFI: “ 计算的重现是一个值得努力扩大的另一个领域。计算可重复性是一个要求的科学来进步,和目前,我们缺乏必要的工具和基础设施,以使计算重复的。”

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数据注意事项和挑战

数据制作从下一代仪器如以及作为“长尾” 数据(较小的尺寸,但在数量和异质性大)继续呈指数级增长,创建用于分发的需求,但联合网络的数据保存系统。解到许多全球性挑战,需要跨学科的数据集成基于在标准接口的数据发现,获取,兼容性和可重用性。国际组织正在提高这些功能,并且美国和欧洲的政策存在,使公共资助的研究数据公开可用的技术,这样的人工智能和机器学习的应用是需要接入到大型机构的精心策划的,可互操作,并验证训练数据。

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IBM应对RFI:“ 关注的功能,让重要的发展应用,而不是在建设甚至更大的峰值性能的系统。”

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网络安全:问题,挑战和机遇

有效的安全保证该计算机系统是可用于使用,资源的不滥用,数据是有效的和值得信赖的,并且敏感信息的保护。主要挑战在这一地区包括:网络安全对系统性能的影响,多样化的用户群,往往跨越多个网络和组织,以及在缺乏的明确的安全策略,在该管理水平。然而,机会以保护战略性数据资产(如知识产权财产,经济竞争力,国家安全和个人隐私),并确保数据的完整性是至关重要的的采用和未来的成功计算。

相反,可以使用未来的计算技术来加速和改善网络安全功能。的体积,速度,品种,和准确性的数据内的信息的管道与合并的需要来迅速摄取,指数,评估,并查询该数据要求未来计算该系统具有实时网络安全功能。机会存在于结合创新的分析和人工智能技术来解决问题,比如网络事件检测,用户行为分析,和网络映射。借助先进的计算功能和高带宽,低延迟的网络,近乎实时的方法使防御者能够了解并最大程度地降低持续发生的安全漏洞的威胁。先进的计算资源可以用来模拟的网络景观和模拟攻击事件,使维护者,以最大限度地减少攻击向量。

网络基础设施服务:机遇与挑战

网络基础设施协调服务将成为未来计算生态系统和应用程序不可或缺的部分。用户依靠这些服务来确保生产率,缩短解决时间并:

• 发现,规定,并获得可用的资源和服务;

• 接收相关和及时的专家技术指导,在高效和有效的针对性指令使用的现有资源和服务;

• 参与发展努力,以确保在有效利用的在不断变化的计算布局。

同样重要的是要确保有效管理,操作和使用计算资源,并将这些服务集成到一个协调一致的国家网络基础设施生态系统中的服务。一个现代计算生态系统必须安全增加用户可访问(包括基于web 基于和移动平台); 实现协作;在动态的系统级系统场景中简化高端计算(HEC)的使用;允许持续访问到相关数据; 并提供先进的高性能服务交付机制,例如安全容器和虚拟机。通过降低高生产率计算的障碍,生态系统可以为更广泛的员工提供未来的计算能力,从而使工作开发能够专注于创新并增加思维多样性。

劳动力考量和挑战

利用新的计算能力,使之成为实用和有用形式的应用是一个重要和具有挑战性的问题。它需要一个熟练的员工队伍,经过培训中的当前状态的的艺术,这是能够以预见和开发未来的技术和解决方案。这涉及广泛的培训和技能,从电缆敷设到电源和热量管理再到研发再到市场营销和交流。制定并维持一个强大的,多元化的员工队伍涉及不只是训练中的教育机构或有关的工作,但清爽的技能在整个职业生涯的技术,平台和应用的发展。开发必要的工具,用于员工培训,再培训,生产力,以及协作是同样重要的。最后,建立协同横跨政府,学术界,和行业的利益相关者和开发创新的激励和奖励机制是必不可少的,以维持这种劳动力。

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Micron响应于所述RFI: “ 的数目的应用程序员已经保持相对恒定。这是一个挑战。推广和茎相关事业的资金需要,以去到超速。”

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推荐建议

• 为了提供一个强有力的硬件和软件的基础上,对美国政府应该:

 确保该投资在基础设施建设等为代工厂,测试平台,试验系统和原型,以及在相关领域,如材料科学,微波工程,以及供应链,是由以实现对未来的计算;

 支持关键网络基础设施服务,包括发现,配置,部署,用户支持,以及监控和管理的的计算生态系统;

 优先的发展的一个强大的软件生态系统组成的共享,可持续发展软件栈,库,框架和服务,这是至关重要的加速获取和使用的早期系统;

 通过降低障碍拓宽HEC的使用和应用领域支持改进的可用性和生产率; 和

 鼓励利益相关者,以制定共同的接口,对准的解决方案,并建立共享最佳实践和标准,为在未来计算。

• 要优先考虑提高网络安全,在美国政府可以:

 认识并强调了重要性的网络安全进行了计算生态系统和采用先进的计算为加强和加速网络安全;

 鼓励社区成员对工作在一起,以提高网络安全意识,提供工具来评估和评价网络安全,建立有效的最佳实践,并制定网络安全控制基线;

 开发近实时方法(由HEC和高带宽,低延迟网络支持),以了解和最大程度地减少威胁,并建模和模拟网络环境;和

 优先化实现网络安全态势感知,提供安全早期识别的挑战,提供了技术基础,为一个更弹性的网络防御的计算,并加强计算增强网络安全,使系统显著更安全和更方便于使用。

• 为了支持数据的使用和管理进行计算,在美国政府应该:

 开发战略为的管理,访问和策展的数据集的研究和应用;

 支持端到端数据管理,以提高科学工作流程的效率,并确保包括数据在内的研究结果的传播;和

 开发通用接口,知识网络,工具和服务,以进行数据发现,访问,传输和处理以及及时或实时的数据流。

• 要认识到未来计算的整个战略方法取决于有能力和灵活的员工队伍,美国政府应直接或与利益相关方共同努力:

 建立一个多元化的员工队伍需要来实现美国战略计算计划的目标,并以支持在更广泛的美国创新生态系统的的领先优势的计算。

3 确保协作和协调的方法

目标:为计算的未来建立和扩大合作伙伴关系,以确保美国在科学,技术和创新方面的领导地位。

跨行业,学术界和美国联邦机构的合作伙伴关系

该计算生态系统是非常广泛和差异化,和联邦机构、学术界、非营利组织和行业的定位和优化不同,这个生态系统中往往相辅相成的方面是对齐与他们个人的任务和重点。作为一个结果,跨部门的伙伴关系可以导致效率和协同效应是可以显著惠及所有利益相关方; 应当鼓励并积极促进这种伙伴关系。联邦机构与工业界和学术界的长期合作对于探索,开发和生产用于特定任务支持的技术是必要的;这些合作伙伴是也一个重要动力的招聘和雇用。最后,还有存在的几个未开发的机会,为更紧密的合作当中的联邦机构,以提高对生产力和效率的的用户基础。

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美国国防高级研究计划局(DARPA)联合大学微电子计划(JUMP)是一个例子的一个合作伙伴之间的在基于大学半打研究非营利半导体研究公司和DARPA 中心。PROJ ECT 38,一个与厂商无关的协作之间的能源部和美国国家安全局,是联邦机构探索的另一个例子新的架构基础上的一个有限集的应用程序的兴趣。

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联邦协调

认识到这对未来的计算存在于一个竞争激烈的全球布局,协调的在R&d 在未来的计算应确保资源是可用的和有效使用的个别机构的努力,从而实现跨机构的机会和合作。与此同时,协调活动应该提供一个合适的场地用于机密和机密两个R d为国家的方式来计算的未来的讨论和战略考虑。采用一个分层结构,即充分利用现有的工作组和专业知识在NITRD 和其他机构间机构,以及与适当的决策制定者在一个新的NSTC 小组委员会是侧重于在战略意义的计算,可以提供的必要的多方面协调。

建议

为了鼓励合作伙伴关系和持续的参与,在美国政府应:

 培育联邦机构,学术界,以及产业界合作,从广度和深度上都充分利用投资,实现协同效应,并启用下一步-以及未来的下一代技术。在适当情况下,志同道合的国际伙伴参与应该包括在内;

 提供多年的机制,以探索,发展,并有可能部署新的技术;

 鼓励私营部门进行研究,开发和协调,并努力将通过此类活动产生的新方法和新技术纳入机构的工作。

为了确保有效协调,在美国政府应该:

 实施跨部门的治理结构,重点关注各机构未来的主要计算计划,包括:

  • 由成员机构高级管理人员组成的执行理事会。根据各个机构的任务,理事会可以确定优先级并支持未来的计算目标;
  • 一个新的NSTC 小组委员会,以确保跨机构的协调,其中包括与NSTC的NITRD小组委员会和其他小组委员会(视情况而定)保持一致,以定义分类级别对未来计算的战略意义,从而通过每年就进展情况进行报告来支持理事会目标,以及执行由该委员会分配的其他任务
  • 现有和临时工作组或其他实体(如由该小组委员会确定)被容纳在NITRD等NSTC机构和报告到认识机构,如需要,以支持该小组委员会的努力。

 跟踪全球在未来计算方面的努力。

 使美国未来的计算计划与其他主要的国家计划保持一致。

 

译自:

https://www.nitrd.gov/pubs/National-Strategic-Computing-Initiative-Update-2019.pdf

weinxin
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