美国战略计算计划的协调管理机制、实施特点及启示

王花蕾

国家工业信息安全发展研究中心信息政策所，北京，100040

算力，简而言之就是计算能力和对数据的处理能力。随着新一代信息技术快速发展，数据量呈爆炸式增长，算力与电力、热力一样成为新型生产力，成为经济社会高质量发展的重要支撑。为顺应这一发展趋势，近年来，我国加快了算力建设部署。2021年3月，第十三届全国人民代表大会第四次会议决议通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》强调，要“加快构建全国一体化大数据中心体系，强化算力统筹智能调度”；
5月，由国家发展和改革委员会、中共中央网络安全和信息化委员会办公室、工业和信息化部（简称“工信部”）、国家能源局联合印发的《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》提出，构建新型算力网络体系，在部分地区建设全国一体化算力网络国家枢纽节点，加快实施“东数西算”工程；
11月，工信部印发《“十四五”信息通信行业发展规划》，将算力能力提升作为“十四五”时期的重点任务之一。

算力建设是以计算技术研发应用为基础的，美国比较重视计算科学发展，并形成了较为体系化的部署。尤其是2016年以来，美国连续发布了3 份战略计划，对新形势下的计算发展进行了系统部署。国内学者对这几份计划的分析很少，笔者拟对其重点内容及协调管理机制、相关特点进行分析，以供相关研究者参考。

20世纪90年代，美国制定了跨部门的高性能计算和通信计划。随着技术的不断发展和应用日益广泛，原有的计划逐渐难以适应各领域的需求。同时，2010年之后，世界主要国家纷纷发布高性能计算计划，美国面临的外部竞争压力随之增大。在这样的背景下，美国制定了战略计算计划。

（一）美国战略计算计划的制定与更新

2015年，美国总统奥巴马签署13702 号总统令，要求启动战略计算计划，对计算政策进行全面更新。2016年，《国家战略计算计划》正式制定，旨在保持和加强美国在高性能计算领域的领先地位。[1]《国家战略计算计划》要求加速发展高性能计算系统，建设强大的E 级计算；
开发建模、仿真和数据分析的统一平台，加强二者间的动态交互；
发展数字计算（基于冯·诺依曼）和替代计算（量子计算、神经计算及其他），形成超越摩尔定律的计算范式；
开发和采用新的方法、技术和软件架构，扩展计算生态系统的容量和能力；
通过公私合作促进发展。2019年，美国发布《战略计算计划更新：引领未来的计算》，进一步聚焦未来的先进计算，希望实现未来计算技术的协作研发和部署，开辟数字和非数字计算新领域，建立异构计算系统（从超大规模到以边缘为中心的系统等）与网络、硬件、软件、数据等相结合的新型计算生态系统。[2]

2020年，美国发布《引领未来的先进计算生态系统：战略计划》，再次更新了相关计划，明确了对未来先进计算生态系统的设想和建设要求。[3]根据该计划，未来先进计算生态系统由一组在架构（如经典和量子）、资源类型（如高性能计算、云计算、边缘计算等）和使用方式上不同的资源和服务组成，允许各种资源产品和用例（如数据和计算实验）之间无缝对接，具有可重构性、可编程性、可靠性、安全性等关键属性。《引领未来的先进计算生态系统：战略计划》要求将先进计算生态系统作为国家的战略资产，建立可持续的软件生态系统和数据生态系统，支持计算技术从基础研究到应用和产业化的全链条发展，联合各方培育多元化的技术队伍，以维护美国在科学和工程、经济竞争力和国家安全方面的持续领导地位。

（二）美国战略计算计划的重点

相比于高性能计算计划，战略计算计划更加聚焦于计算系统，且更为重视计划的长期性、系统性，强调满足应用端的需求，关注未来技术发展。

1.强调计划的长期性和系统的均衡发展

1991年，美国科技政策办公室在《大挑战：高性能计算和通信》报告勾画了高性能计算与通信计划（High Performance Computing and Communications Program，HPCC）框架；
同年12月，《高性能计算法案》正式授权制定相关计划。当时，该计划主要关注计算性能和应用，不少组件直接从市场购买。但随着各行业对计算需求的增加，原有的做法已难以适应需要。2004年，美国国家科学技术委员会（简称“美国国家科技委员会”）高端计算振兴任务组在《联邦高端计算计划》中明确指出，要加强对高端计算的长期规划和研发投入，以往基于市售组件（COTS）的做法无法满足重要领域的高端计算需求，联邦政府必须投资组件研发，制定10 ～15年的开发、测试和评估计划以及软硬件和系统的详细路线图。[4]2005年，美国总统信息技术咨询委员会（President’s Information Technology Advisory Committee，PITAC）指出，联邦政府对计算科学研究的支持过于专注短期、低风险的活动，过度关注硬件性能峰值，在软件、数据基础设施和工具上的投资不足，从长期来看这是一种高风险的策略。[5]2007年，PITAC 的继任者美国总统科技咨询委员会（President’s Council of Advisors on Science and Technology，PCAST）1再次强调，高端计算仍是美国的战略重点，应制定相关战略计划，实现对高端计算架构、硬件、软件、数据、应用程序等的平衡投资。[6]

13702 号总统令要求战略计算计划必须制定全面的技术和科学方法，将硬件、系统软件、开发工具和应用方面的高性能计算研究高效地转化为开发，并最终转化为运营。显然，美国战略计算计划接受了咨询机构的建议，并将计算视为一个生态系统，对其发展进行了长期、系统的规划，均衡发展软硬件、数据、应用等方面。

2.建设仿真与数据分析一体化平台以满足应用端需求

随着应用范围的扩展，各领域的计算需求迅速增加。尤其是2008年“再工业化”兴起后，高性能计算被视为美国制造业真正的游戏规则改变者，建模、仿真、分析被认为是美国创新的倍增器。[7]2010年，《美国竞争力再授权法案2010》建议，采取一切有效措施确保在制造业中运用计算仿真和模拟技术，重塑美国制造业的领导者地位，相关建议被美国制造业战略采纳。2012年，美国《先进制造业国家战略》要求发展数据和设计基础设施，加强产品和流程建模仿真、组件连接、系统集成。2018年和2022年版的制造业战略强调智能制造和数字制造，要求发展实时建模、仿真和数据分析技术，实现从设计到生产、从组件到平台的无缝集成。

为适应仿真与数据分析一体化需求，2016年，《国家战略计算计划》要求建立建模、仿真和数据分析的统一平台；
2019年，《战略计算计划更新：引领未来的计算》要求建立硬件与软件、数据和网络专业知识集成的计算生态系统；
2020年，《引领未来的先进计算生态系统：战略计划》强调了应用对计算的驱动作用：超大规模建模和仿真、数据密集型应用程序、端到端流程和数据驱动实时决策的广泛应用均对计算系统提出了新挑战，要求发展异构条件下的计算技术，建设可持续的软件和数据生态系统。

3.关注未来技术条件下的计算发展

美国一向具有开展前瞻性技术研究的传统。早在1999年，PITAC 就呼吁政府启动下一代算法、软件和硬件项目研究，构建新型计算系统的先进原型，就像美国国防高级研究计划局（DARPA）资助创建的互联网原型阿帕网（ARPA）一样。[8]2010年，PCAST 呼吁对下一代硬件、架构、算法和软件开展基础研究，以发展“真正具有变革性的下一代高性能计算系统”，并强调有必要采取全新的方法，在一些领域进行突破性的研究。[9]

技术发展为开发下一代高性能计算提供了可能。2013年，PCAST 指出，随着多核处理器芯片、图形处理工具、云计算等的技术创新，高性能计算应与快速发展的“计算生态”相协调。[10]之后，在新兴技术的推动下，从硬件设备到系统架构和软件栈都出现了重大变化。例如，登纳德缩放比例定律（Dennard Scaling）2终结和摩尔定律3放缓，推动冯·诺依曼的计算架构向包含神经形态、量子、仿真、概率计算等的替代架构转变，加之数据量的快速增加、人工智能的迅速发展以及集中的计算资源（如“超级计算机”）向分布式边缘计算、云计算和数据分析一体化的转变[3]，推动计算生态跨越多个维度快速发展。为顺应这一变化，2016年，《国家战略计算计划》要求发展超越摩尔定律（“后摩尔定律时代”）的计算范式；
2019年，《战略计算计划更新：引领未来的计算》要求开辟数字和非数字计算的新领域，并建设新技术所需的试验台、实验原型、工厂和供应链等基础设施；
2020年，《引领未来的先进计算生态系统：战略计划》强调加强未来技术研究、应用、推广，进行跨设备、系统、软件和应用程序的全域研究，确保美国在后摩尔时代的领导地位。

PITAC 认为，影响计算生态系统建设的障碍主要有两个：其一，学术界僵化的“学科竖井”，扼杀了多学科研究和教育；
其二，联邦政府、学术界和工业界对计算科学的规划和协调不足，缺乏战略性和跨学科、跨机构合作，计算科学生态系统发展不平衡，建议为计算科学制定未来数十年的路线图。[5]因此，美国战略计算计划在实施过程中，非常注重协调管理，建立了白宫统筹下跨部门协调管理的机制，大力推动跨学科、跨领域协作。

（一）战略计算计划的协调管理机构

13702 号总统令要求成立一个执行委员会，负责战略计算计划的制定、协调。该委员会由科技政策办公室主任与管理和预算办公室主任共同主持，每年至少召开两次协调会，成员包括国防部、能源部、国土安全部等部门负责人（各部门分工见表1）。成员机构共有3 类：领导机构（lead agencies）、基础研发机构（founditional R&D agencies）和应用机构（deployment agencies）。其中，领导机构包括国防部、能源部和国家科学基金会，它们均承担一定的软硬件研发和人才培养任务。能源部重点关注高级仿真，国防部专注于数据分析，国家科学基金会在科学发现、计算生态系统和劳动力发展中发挥核心作用。基础研发机构包括情报高级研究计划局、国家标准与技术研究院，前者专注于研究未来计算架构，后者则专注于计算技术计量和标准化。应用机构包括国家航空航天局、联邦调查局、国家卫生研究院、国土安全部、国家海洋和大气管理局，确保计算技术在其各自领域的有效应用并以应用推动计算发展。

表1 美国战略计算计划中联邦各机构分工

在执行委员会的基础上，美国战略计算计划的统筹机构又经过一段时间的调整才相对固定下来。2019年6月，美国国家科技委员会设立了临时性的战略计算快速通道行动委员会，其主要任务是更新战略计算计划；
11月，该委员会发布《战略计算计划更新：引领未来的计算》，并要求在美国国家科技委员会设立一个固定小组委员会，专门负责战略计算的跨机构协调事宜。随后，美国国家科技委员会在技术分委会设立了未来先进计算生态系统小组委员会（Subcommitte On Future Advanced Computing Ecosystem，FACE），作为统筹未来计算的“执行委员会”，2020年《引领未来的先进计算生态系统：战略计划》就是在该小组委员会的领导下制定的。不同的是，该小组在执行委员会的基础上增加了一个从事基础研发的新成员—国防高级研究计划局。

（二）协调管理机构与其他跨部门机构的协调

美国战略计算计划涉及很多领域，而不少领域有专门的计划和跨部门协调机构，所以战略计算计划也要与相关计划保持一致，这就要求FACE 小组要加强与其他相关机构的协调。例如，在“超越摩尔定律的计算”方面，能源部、国防部、情报高级研究计划局、国家标准与技术研究院、国家科学基金会共同支持非CMOS 技术发展。其中，国家卫生研究院、能源部、国防部和国家科学基金会支持神经形态计算研究，国家标准与技术研究院和国家科学基金会支持量子传感器和量子通信研究，国家标准与技术研究院、国家科学基金会和能源部支持量子物理研究，而国防部和情报高级研究计划局资助量子计算基础研究，能源部、情报高级研究计划局和国家航空航天局负责探索绝热量子系统研究，情报高级研究计划局提供后摩尔半导体计算技术方案。[1]显然，量子技术研究需要FACE 小组与量子信息科学跨机构工作组（后改为小组委员会）协调，后摩尔半导体技术研究需要与微电子领导力小组委员会协调。

在“持久的国家高性能计算生态系统”方面，国家科学基金会、国家标准与技术研究院、情报高级研究计划局还需要在网络与信息技术研发计划（NITRD）的协调下领导网络技术研发，以增加对E级计算系统的访问。[1]其中，NITRD 计划是高性能计算与通信计划在2009年被《网络与信息技术研发法案》（Networking and Information Technology Research and Development Act of 2009，NITRD 法案）更名后的称呼，其统筹机构也相应更名为NITRD 小组委员会。此外，还有其他跨部门协调机构与FACE 小组存在交叉关系（见图1），它们相互协作共同确保了战略计算计划的顺利实施。

图1 与战略计算计划相关的部分跨部门协调机构示意图

13702 号总统令给战略计算计划制定提出的原则中有两项与组织管理有关：采用全政府方法（whole-ofgovernment approach）加强所有执行部门和机构合作；
促进政府、行业和学术界公私合作，使高性能计算的利益最大化，这一原则在后续计划中被称为“举国方法”（whole-of-nation approach）。这两个方法可以被视为战略计算计划协调管理的主要特点，相关计划均有强调。2016年，《国家战略计算计划》要求采用全政府方法加强公共部门合作，并将其扩展至“举国方法”；
2019年，《战略计算计划更新：引领未来的计算》将加强协调作为重要战略目标；
2020年，《引领未来的先进计算生态系统：战略计划》也强调运用举国方法构建未来的先进计算生态系统。

（一）“全政府方法”

“全政府”至少包含两层含义。其一，指政府部门不同计划之间的协作。美国一直强调，计算领域的领导地位本身并不是目的，更重要的是通过运用计算能力实现国家优先事项。所以，国家战略计算计划与先进制造计划、脑科学计划、材料基因组计划、大数据研发计划、纳米技术计划、精准医疗计划等始终保持密切的协同关系，通过提供计算和数据分析服务，促进相关领域发展。其二，多个甚至所有政府部门、机构之间的协作。除了成员单位之间的合作，计划协调机构与其他协调机构、联邦团体之间也存在密切的合作关系。

合作可以采取多种形式。一种形式是相关人员共同参与某个跨部门小组委员会、定期会议或交叉领导，或者某些机构的业务需要同时接受两个以上跨部门机构协调。前者如FACE 小组的一位联合主席还同时担任NITRD小组、人工智能研究资源工作组、气象服务机构间委员会、网络设施和基础设施委员会、量子信息科学小组委员会的联合主席等。[11]后者如前述FACE 小组需要就战略计算相关工作与其他机构加强协调。另一种形式是在计划、方案或战略内容方面相互支持。例如，2022年9月，美国总统科技顾问委员会向总统提交的报告《振兴美国半导体生态系统》，建议未来半导体技术的一个优先创新领域为Z 级计算[12]，从硬件方面对先进计算提供支持。2022年，美国出台的《芯片与科学法案》要求建设量子网络基础设施，开发量子网络技术基础材料、测试平台、软件、计算架构等；
要求实施量子用户拓展计划，促进量子硬件和云应用，从量子角度对未来先进计算提供支持。这种人事、活动、计划等的相互交织，确保了几乎所有联邦机构在计算问题上的协同。

（二）“举国方法”

所谓“举国”是指除了政府部门外，学术界、工业界、社会团体等均以不同形式参与计算生态建设，促进计算价值充分发挥。事实上，战略计算计划将建立和扩大伙伴关系作为重要战略目标，努力推动联邦机构与产业界、非营利组织和学术界加强合作，共同分享技术进步的利益。更重要的是，以往的公私合作关系往往由某个联邦机构发起且大多局限于技术领域，如国家科学基金会的小企业创新研究和技术转移计划、产业/大学合作研究中心、创新伙伴关系等，但战略计算计划要求公私合作关系扩展至更多主体、更大范围。例如，鼓励各方通过课程设置和人才培训、再培训等进行人才培养合作。再如，有的公私合作伙伴关系直接在政府部门的主导下建立，服从于政府整体战略。《国家战略计算储备：一个蓝图》就建立了一个由政府、学术界、非营利组织、产业界的志愿者专家组成的战略计算储备联盟，通过与服务商合作提供先进的计算资源以应对可能出现的危机。这一联盟与民用后备航空队、商船队的角色类似，虽然不属于军队，但政府可以要求其在危机时期协助军队执行任务[13]。基于这一广泛的公私合作关系，美国在计算领域形成了自身特色。

进入数字时代，算力对企业和国家的技术创新和经济发展作用明显。国际数据公司（IDC）研究发现，美国企业对高性能计算的投资每增加1 美元，就可产生515美元的收入和43 美元的利润或成本节约；
采用高性能计算的公司有97%表示，如果没有计算能力的提升，其竞争优势无法维持甚至企业无法生存。[14]目前，我国算力发展还存在明显的短板：关键技术受制于人，数据技术路线、标准、资源接口不统一，专业人才短缺，创新应用不足[15]；
供需无法精准匹配，生态发展面临体系化困境，软硬融合底层工具欠缺[16]；
计算资源分布不均，组织管理机制不完善[17]；
产学研合作不协调，软硬件发展不均衡[18]。针对这些问题，借鉴美国经验，我国应做好顶层设计，有效组织各方力量，完善整体算力部署。

（一）加强中央统一领导和组织协调，实现跨部门、跨地区之间的协同管理

在中央层面建立跨部门协调机构，明确政府各部门职责，加强业务之间的协同性，实现计算技术创新链和算力产业链精准对接，与相关资金链人才链深度融合。以“东数西算”工程打造的新型算力网络为基础，进一步做好全国算力资源的统筹规划。建立区域间、行业间、算力枢纽点之间的协同机制，推动算网协同、算网一体，有效管理云计算、边缘计算、高性能计算等计算资源，基于互联网按需调度使用，确保全国算力资源一盘棋。

（二）制定算力研发战略规划，从生态视角推动算力技术发展

将算力研发上升到战略层面，全面规划技术研发体系，确保软硬件、系统架构、算法等方面均衡发展。加强关键技术创新，着重补短板、强弱项，以系统化方式带动基础研发、应用研发和技术产业化的整体创新。加强量子计算、神经形态计算、后摩尔芯片等前沿技术研究，构建多层次异构计算体系。全面布局算力技术研发、标准体系、基础设施、人才培养等工作，推动整个计算生态系统健康发展。

（三）培育先进计算产业，营造算力产业良好发展环境

加快公共数据资源开放共享，推动数据全过程应用，建设集建模、仿真和数据分析于一体的综合服务平台和集数据计算、运营维护、网络安全于一体的运营管理平台。加快培育壮大先进计算企业，建立计算企业梯度发展体系，推动相关产业向全球价值链中高端迈进。强化算力应用推广，推动面向不同场景的算力服务创新，充分发挥算力对具体行业的赋能作用，形成多元化的算力解决方案。

（四）运用公私合作伙伴关系，有效汇聚社会各界力量

广泛建立各种形式的公私合作组织，强化各方在技术硬件、软件、数据等不同方面及产品开发、交易、应用等不同环节的合作，确保算力资源安全、可信、可用；
将算力资源以合理方式开放给科研机构和高校，通过产教融合等方式培养复合型计算人才；
以实际需求驱动算力研发和建设，确保算力部署满足行业内、区域内不同用户和应用场景的需求；
鼓励各方探索适合不同领域、不同企业的算力使用模式，为中小微企业甚至个人使用算力资源提供便利。

注释：

1.2005年9月，13385号总统令将PITAC的职责授予PCAST。

2.登纳德缩放比例定律是指随着晶体管变小，其功率密度保持不变。

3.摩尔定律是指集成电路上集成的晶体管的数量每18个月或两年就翻一番。

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