计算科学：确保美国的竞争力
总统信息技术顾问委员会
封面图片
龙卷风—一种骇人的、经常具有破坏性的北美气候的季节性特征—因很难精确地对它做出预报而声名狼藉，因为科学家们还没有完全弄清创造并驾驭龙卷风的力量间复杂的相互作用。众所周知，最猛烈的龙卷风是产生于一种叫作超单体风暴的旋转雷暴。但最多有20％到25％的超单体风暴会生成龙卷风，而其中不超过10％的超单体风暴会产生158到318 英里\\小时的风速而产生最有破坏性的F3、F4、F5级龙卷风。一些龙卷风的破坏力取决于它们在陆地上停留的时间（从45分钟到几小时不等），这会产生长的破坏带。这样猛烈的、周期长的龙卷风叫作“长轨龙卷风”。
计算科学通过高端的计算能力能够让研究者研究到龙卷风的内部去，调查龙卷风起源到发展的整个过程中温度、湿度、气流的紊乱、气压和风之间复杂的相互影响。封面图片取材自一个产生长轨龙卷风的超单体风暴的第一个科学模拟结构。这个模拟结构是由来自伊利诺斯大学大气科学系、UIUC、国家海洋和大气局国家强风暴实验室的科学家们以及一个国家超级计算应用中心的演示团队所共同完成的。该模拟结构的产生是基于从2003年横扫南达科他州的曼彻斯特的F4风暴所采集的数据。
这个模拟结构由6兆兆数据组成，运用了3D伸展网格使研究者能聚焦于风暴内部的力量作用，在这里风暴用3个小时、在100×100×25公里的区域里形成了龙卷风。封面的图片将龙卷风强度渐增过程中的数据形象化。相互缠绕的气流中橘红色表现的是上升气流，蓝色表现的是下降气流，以此表现了风暴中的气流轨迹。红色区域的低压漩涡描绘了正在形成的龙卷风（旋涡变成橘红色，龙卷风强度的最高点是黄色的）。在地平面上，倾斜的圆锥体代表风速和方向。温度的不同来用颜色来表示，它们表现了平面的分界点，在龙卷风的底部冷热空气相互作用。封面图片从上部到底段表现了超单体风暴的外部大气形状、风暴内部气流紊乱所形成的环状气流、独特的低压旋涡（橘红色的调子表明了强度的增加）以及龙卷风最后的瓦解。
这个项目由NSF、NCSA、NOAA以及英特尔公司所资助。模拟结构部分：Robert Wilhelmson为主管，成员为Matthew Gilmore、Louis Wicker、Glen Romine、Lee Cronce和Mark Straka。形象化部分：Donna Cox、Robert Patterson、Stuart Levy、Alex Betts和Matthew Hall。详情请见：http://redrock.ncsa.uiuc.edu/CMG/ .
版权声明：
这是美国政府的研究成果，为公众所有。凡分发及复制必须注明NCO/IT R&D版权所有。引用任何图片或数据必须注明提供者，若无提供者可引用，需注明引用自NCO。
致总统的报告
计算科学：确保美国的竞争力
总统信息技术顾问委员会
2005年6月
总统信息技术顾问委员会
2005年5月27日
尊敬的乔治·布什先生 美国总统
白宫， 华盛顿 20500
亲爱的总统先生：
总统信息技术顾问委员会很荣幸地向您呈上附件的报告：《计算科学：确保美国的竞争力》。计算科学是运用高级计算能力来理解和处理复杂问题的学科，已经成为对科学领导力、经济竞争力以及国家安全都至关重要的一门科学。总统信息技术顾问委员会相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一，因为它对整个社会的进步都是十分重要的。
计算科学为研究者提供了一个独特的窗口，他们可以通过它来研究那些不切实际或很难解决的问题，例如对人脑的生物化学处理的科学研究、宇宙形成的原动力研究、传染疾病的传播分析、恐怖袭击的空投毒弹、为高经济效益提供高级工业方法如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验更有效的机翼计算试验。
然而，目前只有很小一部分有潜力的计算科学领域被实现，这就影响了美国在科学和工程技术中的卓越地位。反映在联邦调查及发展组织结构中的严格的学术领域限制是阻碍进步的原因之一。这种限制阻碍了多学科研究和对计算科学至关重要的教育方法的发展。我们的报告建议：大学和联邦研究与发展署都必须从根本上改变这种组织结构来促进和顾虑合作研究。此外，该报告希望国家科学技术委员会能委派国家科学学会对为促进计算科学发展而做出的在行政职务等方面的改革创新进行有效地调查。
联邦政府、学术界和工业生产间的计划和合作不利是影响计算科学发展的另一个因素。目前的状况表现为目标短浅，战略计划有限，成员间合作过少。为了弥补这一不足，该报告建议国家科学技术委员会委派国家科学学会为计算科学以及依赖于计算科学的各种学科规划一个或多个研究任务，以为它们制订一个长期的发展目标。这样的路标能够带来更大的技术进步，这是使国家在今后的日子里保持竞争力的领导地位、发展计算科学所必需的。
作为这项国家性成就的一部分，我们建议联邦政府能建立一个包括并能将计算科学软件维护中心、数据软件库及高端计算领导中心与其他部门和研究者联系在一起的基层组织。我们还建议我们的计算科学研究与发展署能够重新平衡而将注意力集中在改进的软件、高持续性的系统和集中于传感器和数据的应用软件。
我们很荣幸能有这个机会向您提出我们在计算科学上的一些建议，计算科学是国家保持长期领导地位的根本。我们相信委员会在计算科学上所做的工作以及我们早先在卫生保健信息技术及网络安全的报告能对美国如何在世界上保持科学技术的领先地位、如何改善卫生保健系统以及如何保证信息基层组织安全方面提供有用的建议。这些报告说明了信息技术研究和发展对应我们的经济竞争力、生活质量和国家安全是多么的重要。
很荣幸作为总统信息技术顾问委员会的主席团为您服务。我们也很愿意就我们的报告和所涉及的问题与您和您的政府成员进行会面。
总统信息技术顾问委员会
主席团
Marc R. Benioff 主席兼首席执行官 Salesforce.com, Inc.
Edward D. Lazowska 博士 副主席 华盛顿大学 计算科学及工程系
成员
Ruzena Bajcsy 博士 社会信息技术研究中心主任、加利福尼亚大学教授
William J. Hannigan AT&T 董事长
J. Carter Beese, Jr. Riggs Capital Partners董事长 Jonathan C. Javitt, 波拖马可政治学院高级董事
Judith L. Klavans 博士 语言高级研究中心主任、马里兰大学图书馆及信息科学学院教授
Patricia Thomas Evans 全球系统咨询公司主席兼首席执行官
Manuel A. Fernandez SI Ventures/Gartner 行政主任
F. Thomson Leighton 博士 Akamai技术首席科学家、麻省理工学院应用数学教授
Luis E. Fiallo Fiallo and Associates, LLC主席
Harold Mortazavian 博士 Advanced Scientific Research, Inc.主席兼首席执行官 José-Marie Griffiths 博士 北卡罗莱纳大学图书馆及信息科学学院院长兼教授
Randall D. Mott CIO副主席及戴尔公司副主席
Peter M. Neupert 顾问
Eli M. Noam 博士 哥伦比亚大学电子信息学院主任兼教授
Eugene H. Spafford 博士 教育及信息安全研究中心主任兼教授 Purdue大学
David A. Patterson 博士 加州大学计算机科学主席兼教授 David H. Staelin 理科博士 麻省理工学院电子工程教授
Alice G. Quintanilla Information Assets Management, Inc. 主席兼首席执行官
Peter S. Tippett, 博士 TruSecure Corporation 副主席
Daniel A. Reed 博士 北卡罗莱纳大学荣誉教授 计算科学学院主任
Geoffrey Yang Redpoint Ventures 行政主任
计算科学委员会附属委员会
主席： Daniel A. Reed
成员 Ruzena Bajcsy Manuel A. Fernandez José-Marie Griffiths Randall D. Mott
顾问 Jack Dongarra Chris R. Johnson
关于总统信息技术顾问委员会和这份报告
总统信息技术顾问委员会是由总统指定成立的，为美国保持在高级信息技术方面的领先地位提供独立的、专业的建议。总统信息技术顾问委员会的成员是工业及学术界的领导人物，他们的企业在联邦政府网络上及信息技术研究发展方面对一些关键问题进行研究，帮助政府加快发展信息技术的发展，为美国在21世纪的繁荣起到了决定性的作用。
总统信息技术顾问委员会由国会授权，受1991 年颁布的“高性能计算法案”（公法102－194）及1998年颁布的“下一代网络法案”（公法105－305）所规定，通过总统执行命令正式成立并重建。它是联邦政府指派的顾问委员会，受联邦顾问委员会法案（公法92－463）和其他相关的联邦法案所制约。 总统信息技术顾问委员会选择了3个评估题目，计算科学是其中之一。科学及技术政策办公室的主任下达了一份正式的任务（附录C），要求总统信息技术顾问委员会的成员将他们的努力集中在近期的联邦计算科学研究发展活动的平衡和效率等问题上。为了开展这个项目，总统信息技术顾问委员会成立了附属委员会负责计算科学，他们的工作就是这篇报告《计算科学：确保美国的竞争力》的核心。
总统信息技术顾问委员会认为计算科学对国家在科学、经济、社会和国家安全方面上的目标有很大贡献。然而，由于研究发展机构的低效率和缺少组织、执行策略，计算科学的很多设想无法实现。总统信息技术顾问委员会首要建议就针对这些不足，希望能使计算科学在大学及政府机构中达到合理化及调整，并为计算科学的研究和发展制订一个长期的目标。
该报告的研究发现和建议是基于总统信息技术顾问委员会一年多的研究成功的。附属委员会由联邦政府、学术界及工业领域中的计算科学专家所组成，他们查阅了现有的研究成果，在总统信息技术顾问委员会的会议中获得公众信息，并参考了大量的文档。（附录D概括了附属委员会研究取材的过程）附属委员会草拟的研究成果和建议与2004年11月4日和2005年1月12日在总统信息技术顾问委员会的会议上被研究修改；最终稿于2005年5月11日的会议上被通过。
该报告所用的缩写词的术语表在100页至103页上。
目录
总统信息技术顾问委员会············································v 关于总统信息技术顾问委员会和这份报告····························vii 目录·····························································ix 摘要
1 警钟敲响：美国的领先地位和竞争优势迎来挑战 计算科学是什么？
21世纪科学的“第三支柱” 方兴未艾的革命
总统信息技术顾问委员会的行动倡议
2中世纪的还是现代的？21世纪研究及教育结构模式 消除结构死穴
不断变化的机构角色和优先权 跨学科教育的挑战
培养21世纪计算机科学带头人 3计算科学几十年的路标 基本原理和需要
计算科学路标组成成分 路标的主要组成成分：草图 路标过程、结果和可持续性
4 为研究和竞争提供持续的基础建设 软件可持续性中心 国家信息软件库
全国高端计算机主导中心
基础工程、社团和可持续性:坚持到底 5 研究和发展的竞争 计算机科学软件
编程的复杂性和使用的简易性 软件的可测量性和可靠性 建筑学和硬件
系统的社会科学体系结构和应用
科学的规则结构和应用 社会科学应用 软件综合 数据管理 结论
参考文献
附录A：计算科学在工作中的例子
社会科学 物理科学 国家安全 地球科学
工程和制造 生物学和医学
附录B：计算科学的警告：一个很少注意到的信息 附录C：对总统信息技术顾问委员会的命令 附录D：小组委员会寻求事实进程 附录E：首字母缩写词 致谢
忘记过去的人,注定要重蹈覆辙
乔治·桑塔耶纳
摘要
大约在半个世纪前，苏联成功发射了Sputnik人造地球卫星—世界上第一颗人造卫星—撼动了美国的政治和科学技术地位，使美国在科学、工程和技术领域上的研究和教育迎来了一个新的纪元。如今，美国在科学、工程和技术领域上的领先地位又一次面临了挑战。然而这一次的挑战比以往美国唯一的科技竞争者取得的成就所带来的挑战更加广泛、复杂，也更具长期性。21世纪，由美国所引领的计算机和网络技术使世界各地的国家在经济和科学技术领域上得到迅速发展，这就使美国在先进科学技术的研究和发展及工业化发展中的领先地位受到了挑战。
尽管信息技术革命正在迅猛发展，美国还没有认识到计算科学及高端计算处理在先进社会科学、生物医学、工程研究、防御及国家安全以及工业改革中的中心位置。现在计算科学和理论、实验共同组成科学研究的三大基石，计算科学使研究者能够建立并检验复杂现象的模型，例如几百年间的气候变化、飞行器上的多维飞行压力以及恒星爆炸，这些都是在实验室里制造不出来的，并能迅速、高效地处理大量数据。计算科学的模型和形象化—例如疾病的微生物基础或一场飓风的动力的模型—产生了新的知识体系，超越了传统学科的范围。在工业上，计算科学通过将商业和工程实践相转化，为我们提供了一个很具竞争力的优势。
虽然它自己本身是一门学科，计算科学能够促进整个科学领域的发展。21世纪科学领域中最重要并具经济前景的研究前沿都是受先进计算技术和计算科学应用的影响的。然而，尽管计算科学能对新发现、安全性及竞争力提供最根本的贡献，政府和当今的学术界中不恰当和过时了的组织结构对这一重要的跨学科领域不能提供有效的帮助。
主要发现
计算科学是不可缺少的，它可以辅助解决每一个领域的难题，包括从传统科学、工程学到国家安全、公共卫生和经济改革等关键领域。计算科学的进步带动了计算模型的发展，有利于采集和分析大量实验和观察数据，解决以前难以解决的问题。然而，虽然各大高校和联邦政府都需要通过发挥计算科学的巨大作用来辅助他们的组织和教研计划，他们还没有充分认识到这一点。这危及美国科技的领先地位、经济竞争优势和国家安全。
主要建议
各大学和联邦政府的研发部分必须协调一致，从根本上改变组织结构，以确保在21世纪使计算科学成为解决重大问题的重要工具，21世纪所面临的问题多是跨学科、跨部门，需要合作才能解决的。为了启动这一必要的变革，联邦政府必须与学术界和工业部门合作，制定和实施长达几十年的战略计划，引导和推动
计算科学的协调发展及其在其他领域的广泛应用。
学术界和联邦政府部门内部传统的学科分界严重阻碍了计算科学的研究和教育工作的广泛开展。对长期跨学科、跨部门合作的热情的缺乏阻碍机构改革。
为了解决这些问题，各大学必须进行重大机构调整，提倡和奖励那些能够鼓舞和推动计算科学发展的合作研究工作。各大学还必须建立新的跨学科组织，大力推动多方面的教育工作，储备多层次的计算科学人才，使他们始终站在科学领域的前沿，满足国家需要。
联邦政府研发部门也面临同样的问题。要解决这些问题，国家科技委员会必须委托国家科学院启动重点研究工作以推动联邦政府研发部门内部的改革和创新，使其适应推动计算科学发展的新角色，这需要制定长期的战略计划和合作。联邦政府研发部门必须积极参与到这个进程中来，个别部门必须进行机构改革，以加速计算科学的发展。
科学进步刺激了新的计算技术的生成，反过来，这些新技术又促进了新的科学发现。这一动态计算科学“生态系统”的健康发展需要制定长期计划，需要联邦政府研发部门和学术界、工业部门专家的的积极参与和合作。然而目前，联邦政府在这一领域的投入和计划仍是短期的，跨学科与各部门之前的合作也是有限的。
基于以上原因，国家科技委员会必须委托国家科学院集中力量开展和保持计算科学的长期发展工作，并推动计算在各领域的应用，以确保美国在科学工程、社会和人文科学方面的领先地位。
美国科学研究方面的基础设施跟不上技术的变化发展，所以现在的计算科学生态系统的发展是不平衡的，软件技术的发展落后于硬件发展，不能满足实际需要。这种不平衡的发展状况决定了研究者起步的基础是不稳定的，他们不具有现代的高质量的软件平台。其结果就是研究者和计算系统本身所取得的成绩都不得不大打折扣。
制定以上路线图的同时，联邦政府必须国家级软件支持中心，负责储备、存档、支持和维护重要的使用期可能长达几十年的计算科学软件。并在具体问题上与学术界和工业部门保持沟通。软件供应商也必须参与到发展和维护研究所需软件基础设施的工作中来。
科学仪器的巨大发展和大量涌现使我们拥有了前所未有的大量数据，为21世纪的重大科学突破创造了历史性机遇。这一重大发现要求联邦政府必须制定长期战略，支持计算科学数据存储，建立包括具体框架、元数据结构、运算法则、数据包、数据应用、评析和确认在内的所有基础设施。政府必须要求获得资助的研究人员将数据的软件存放在政府的储备库中，或者采取其他措施以确保安全和隐密。
PITAC也很关注国家整体的计算科学水平和能力。目前，钻研计算科学难题的研究人员并不具备高端的计算资源，原因在于资金和技术匮乏。另外，可利用的高端技术资源又被超量订购。
政府必须为国家高端计算中心提供长期资金支持，以保证各中心能够配置和使用最快最先进的高端计算系统，从而顺利开展工作。智能中心要保证用户群。 为确保路线图的有效实施，联邦政府还需要协调研发部门之间的高端计算基础设施。
PITAC认为要推动21世纪美国的研究和教育工作，支持计算科学生态系统
的发展势在必行。和其他任何复杂的生态系统一样，只有各部分共同繁荣才能促进整体的发展。只有在战略性计划的基础上，软件、硬件、数据、网络、人等各方面协调发展，美国才能实现计算科学的巨大突破，提高经济竞争力、保障国家安全。
联邦政府必须实施长期协调的计算科学发展项目，提供资金支持，促进软件维护中心、国家数据和软件库、国家高端技术中心与研究人员之间的沟通，形成一个协调地区与地方资源的平衡有序的体系。这种资金援助的方式在研究领域是相当普遍的，比如使用光源、望远镜等科学仪器的研究单位，在使用生物数据库这样的数据中心也越来越广泛。
美国的计算科学要占据前沿领先地位就必须得到长期的协调的软件、硬件、数据、网络和人力资源研发投入。一边是迫切的计算科学需要，一边是软件投入不足，对硬件的过度投入、体系投入的有限性、数据基础设施投入不足，这危及美国的科技领先地位、经济竞争力、和国家安全。联邦政府必须重新平衡研发投资，以：
•创造新一代易操作、可升级的高品质软件，适应计算科学发展的需要，使复杂的技术应用过程简单化，节省时间，并有利于建构精确的模型及模拟，解决新问题。
•设计、建构原型，评析新硬件体系在重点领域的应用 •集中力量进行传感器和数据密集的计算科学应用研究
计算科学得以普及最大动力来源于它的人工智能。它也有弱点。那就是所有的研究领域都从计算科学受益，但是无论在哪一个研究领域，计算科学都只是辅助工具或手段。计算科学由史以来就缺少其他领域所拥有的组织协调的有力支持。结果，美国就有可能失去科技领先地位。
我们正面临一个重要时刻，如果不能高瞻远瞩，全力以赴，我们将失去科技领先地位、经济竞争优势，甚至国家安全也无法保障，这将影响几代人。
政府、学术界和工业部门必须开展长期、大规模的有效合作，确保美国拥有先进的计算科学技术和资源，确保美国在21世纪仍然享有科技领先地位、经济繁荣和国家安全。
1. 警钟敲响：美国的领先地位和竞争优势迎来挑战
1957年10月4日世界上的第一颗人造卫星—苏联人造卫星发射成功进入轨道所传来的微弱的哔哔声震撼了美国政界，他们展开讨论和行动，期待美国科学工程和技术的研发的教育工作翻开新的一页。艾森豪威尔总统强调“太空竞赛”的第一步就是设立总统科学顾问一职，以彰显科学对于国家的重大意义。还设立了两个部门：ARPA，隶属于国防部，负责进行先进计算技术和其他国防相关技术的基础研究；NASA（国家航空航天局），负责太空技术研发。还有一些奖励和奖学金项目也纷纷建立进来，以鼓励学生从事科学研究和教育工作。
今天，美国的科学技术领先地位又一次迎来挑战。但是这一次竞争对手不是一个，挑战更加广泛、复杂，时间更长。21世纪，全球各国—或敌或友—的经济发展和科学技术萌芽不断向美国科学研发和技术工业提出挑战。而竞争对手在全球范围内崛起的原因正是美国一度领先的，给美国科学发现、商业和通讯业革命性创新及前所未有的巨大生产力带来无限动力的计算技术和网络技术。
例如，车辆碰撞模拟—20世纪60年代一项以NASA科学家创造的软件为基础的技术—现在已经成为全世界所有顶尖汽车制造商在汽车设计与制造过程中的必备技术。在制药工业，计算技术也改变了研制新药和配方的方法，大大增强了这一领域的生产能力和竞争。在制造业和其他许多大规模企业，应用于网络计算系统的专业软件被采用，以辅助管理企业供应链上复杂的信息和资料流通，以及财务和物流。这有助于节约企业管理成本，提高企业竞争力。在金融领域，计算模型已经成为微观和宏观分析和预测的主要工具。
以信息技术为动力的全球性变革正在加速发展，但是，美国却还没有完全认识到它的意义。看看下面这些科学技术工业领域前沿性的行业，美国多个科学和政府组织称它们是21世纪最有发展最重要的行业：高级材料（包括超导体和半导体）、备用能源、生物技术、高速计算、微电子机械系统（MEMS）、光电子学、传感器和无线通讯。这些多种多样的新兴技术有一个共同的特点：任何一个行业的创新的突破都需要最尖端的计算技术及其应用。
事实上，通过以人类技能和计算技术为支持解决计算问题是包括科学、社会科学、生物化学、技术研究、防御与国家安全、工业创新在内的所有领域发展进步的关键。正如2005年2月16日科学顾问John H. Marburger III 在科学委员会会议之前所说：“网络技术和信息技术研究实质上决定着科学技术所有其他领域的发展，并为经济生产力注入新的动力。”[Marburger, 2005].
再来看看美国当今竞争力方面的一些数据：
• 20世纪70年代以来，美国信息技术产业严重滑坡，过去5年情况更加恶化
[PCAST, 2004]。从1980到2001美国在全球高新技术出口方面的份额从31%降到18%，而同期亚洲国家的份额从7%上升到25% [NSF, 2004a]。20世纪90年代，美国高新技术产品贸易一直保持顺差，2001年起出现逆差 [U.S. Census Bureau, 2003].
• 十年来，美国国防和国家安全所需要的关键计算技术没有实质性的发展，新的高端技术产品也没有传统产品畅销 [DoD, 2002]。
• 美国科学家和工程师在全球所占比例也在下降。2000年，全球114，000位被授予科学工程博士学位的人有80%来自美国以外的其他国家 [NSF, 2004a]。1994到2001年间申请参与研究生级科学工程项目的美国居民人数下降10%，同期持临时签证的外国学生人数增加25%[NSF, 2004a].
• 2002年，美国学生中参与研究生级科学工程项目的人数虽然增加了5%，但是外国学生的人数增加了8%，而且外国学生占所有研究生人数的比例国：工程学49%，计算机48%，物理40%，数学39%。2002年，美国大学中58%的科学工程博士学位被授予持临时签证的外国学生 [NSF, 2004b]。
• 根据计算研究协会的年度调查，美国大学于2002年授予849名学生计算机和计算工程博士学位，这是自1989年以来的最低数字[NRC,2005].
• 1988年以来，西欧在科学工程杂志上发表的文章超过了美国。研究论文数量增长最快的是东亚（492%）其次是日本（67%）、欧洲（59%），而美国是13%. 全球来看，美国在科技论文中被引用的频率也在减少，从1988年的38%下降到2001年的31% [NSF, 2004a].
PITAC认为，我们必须同时面对全球范围的科学技术挑战和21世纪科技发展需要计算技术和跨学科合作的事实。美国曾领导全世界发展高新信息技术，推动了研究、商业和通讯领域的变革。这使我们能够率先取得科学突破，如治疗疾病、材料细化、设备小型化、新能源和燃料技术等。但是我们没有注意到为新世纪科学发展创造机遇的智能资源储备。
我们满足于现状的一个危险结果就是：像苏联发射第一颗人造卫星的那个晚上一样，我们不得不集合力量，集中发展计算科学，改善计算基础设施，使其适应确保国家在教育和研发方面长期保持领先地位的需要。如果做不到全力以赴和集中力量，PITAC认为在未来几十年我们将无法保证美国的科技领先地位，美国的国家安全，经济发展都会受到影响。
计算科学是什么？
在某种程度上，计算科学就是将计算技术应用到实际生活中，以解决实际问题—例如，使生物医学研究人员迅速确定疫苗在什么位置与哪一个蛋白质链组合才最有效。然而PITAC给计算科学下的定义（见下面的工具条1和11页的图1）强调的是利用软件、硬件、数据和连通性辅助解决需要依赖于计算基础设施的跨学科技术的复杂问题。 边框1 计算科学的定义 应科学技术政策办公室指示，PITAC为计算科学做出定义。该定义指出了计算科学的多个组成部分，包括运算法则、软件、建构、应用和基础设施。 计算科学是一个迅速发展的多学科领域，通过使用计算技术分析和解决复杂问题。 计算科学主要包含三个部分：
• 运算法则（数值的和非数值的）、模型和模拟软件，解决科学（例如，生物学、物理学、和社会科学）、技术和人文学科的问题。 • 计算机和信息科学，开发先进的硬件、软件、网络和数据分析技术，解决计算问题。 • 计算基础设施，支持解决科学技术问题和计算机以及信息科学的发展。
计算机科学定义图解
能源 气候 生物医学 政治学
生产环境 国家安全 纳米科学 计算机和信息科学 算法，模型和模拟软件
计算基础设施 物理学 经济学 社会科学 工程学 人文学科 图1.
科学运用多门学科的知识，才能成功地把软件，系统，网络和其它信息技术构件结合起来，执行计算任务。这也需要这些学科领域的许多技术人员掌握计算系统的性能，用来解决现实世界中的复杂问题。就好比一次复杂的外科手术，需要的不止是一位主刀医生，它需要整个有各种专业技能的医疗小组。的确，美国总统信息技术顾问委员会认为，处理计算机科学问题的多学科工作组代表了21世纪科学和工程学探索的最普遍的模式。计算机科学是第二次世界大战后形势的需要，也是伴随数字时代的出现而发展起来的。当时，各个领域的科学家---数学，化学，物理，机械和电子工程---共同合作制成了第一台电子计算机，用来破解密码和进行自动弹道计算。今天最先进的计算系统的软硬件要复杂得多，储存和交流性能也大大增强。这些发展进步不仅转变了科学发现而且改变了重要的经济进程，包括工业和医药产品的设计和生产；诸如经济预测，流行病学，气象预报中的数据集中分析；全球金融市场体系。
21世纪科学的“第三支柱”
新世纪第一个重大的科学突破---2001年宣布的人类基因组的解码---应归功于大规模的计算机科学。当能源部和国家卫生局在1990年开始人类基因组工程时，性能最好的计算机也比现在的高端机器慢10万倍；网络的个人用户只能以9600波特（过时的传输标准；早期的调制解调器是以300波特或每秒一定字数来传输的）传输数据；许多的遗传学家是用手计算数据的。当时，人们认为，对医学发展至关重要的是这样一种挑战：确定生命的遗传指示如何组织在构成原生质脱氧核糖核酸（DNA）的四种化合物中，而这预计需要几十年的时间。
由1000多位科学家参与的国际基因解码研究最终显示出计算机科学在先端研究中的重要作用。分散在各地的工作小组分别计算出可能的化学序列，然后通过网络快速地传输到这个项目的数据库中，以便其他科学家检测和使用。研究者们设计出了能够自动进行序列计算和分析的新型软件。2000年6月关于基因组“简图”的声明中提到，仅仅前6个月，就完成了超过60%的编码。计算出的原
始序列总数超过220亿。
人类基因组的解码立刻引发了政府，学术界和企业界多达数十亿美圆的研发计划，他们想要运用新的基因知识更多地了解原生质进程和疾病的遗传因素。这些努力使我们获得了新的药物和医疗方法。 现在，计算机科学被许多人称为科学发展的第三支柱，与理论和物理实验并列。的确，正如基因组解码工作所表明的，计算机科学与其它的研究方法相比，有着相当大的优势，它使我们能迅速完成大量数据的计算，而如果没有计算机科学，一个人一生都无法完成。在几小时之内得到结果和在几星期和几年后得到结果，有完全不同的实践意义---我们研究的范围会因此而改变。例如，气候变化研究需要模仿几千年的地球气候，因此，只有当模仿一年地球气候的时间为几小时，这项研究才是可行的。而且，为了了解气候预测对人类活动影响（产生的碳氟化合物和二氧化碳排放物）和模型特征的敏感度，我们必须进行整套的气候模拟，而这就需要强大的运算能力。
但是，计算速度仅仅代表其作为第三支柱的一个方面。在科学研究中，有些现象不适于做“湿”实验，因为太复杂，太昂贵，太危险，太庞大或太微小，计算机科学使研究者和从业者能够得到这些现象的理论模型。计算机宇宙学就是这样的一个例子。它是通过计算机获得宇宙模型，来检测关于宇宙起源的不同理论。我们无法创造出宇宙的变体，也无法观察它未来的演化，因此，计算机模拟是进行实验的唯一可行的方法。
再举一个例子。研究人员早就发现，大小为50到500微米的微泡可以减少轮船受到的阻力（有时，可减少80%），节省燃料，增加航程。尽管做实验来研究微泡效应已经有30年了，但是，在这些物理实验中，由于水的涡流，我们不能精确观测到减少阻力的最佳状态。现在，研究者已创造出新的计算机模型，能够模拟不同大小的微泡的流动和对船体速度的影响，从而在新的船体技术方面，实现了质的飞跃。运用高端计算系统，研究者可同时模拟大约2万个微泡的流动。下一步要做的是运用从模拟中得到的数据集中研究最佳的微泡大小和检测从物理模型得到的结论。
原图看不清
运用美国国家航空航天局的计算机技术,波音公司在20世纪80年代开发出模型工具, 把公司飞机设计过程改变为整架飞机的综合计算机模型,包括电动喷气效应.而以前是用昂贵的物理实验分别测试各个结构, 如机翼, 发动机盖,驾驶舱. 这极大地减少了测试成本,加速了飞机的生产. 图2.
计算机科学使我们可能观测到不同过程跨越学科边界的相互作用。例如，一位土木和环境工程研究人员设计了一个模型，能得出治理地下水污染的各种策略的成本和收益。去除化学污染物涉及到不同水泵的位置，不同水泵抽水的速率和时间。通常的策略只估算大致的成本。但通过计算机基因演算法，模拟实验显示，当治理费用超过一定界限，由于增加费用而减少的地下水污染物是可以被忽略的。因此，在一定的费用界限内确定治理策略，能在保证治理工作的有效性的同时控制成本。
例如，了解呼吸系统疾病或生物攻击的环境和生物基础需要建立更复杂的跨
学科模型，把社会科学和公共健康数据与气流和吸入物（烟尘，过敏源，病原体）的流体力学模型资料，表面特征和互动的物质模型，纤毛和它们排斥外界物质的运动的生物物理学模型，和基因对疾病的敏感性的生物模型结合起来。这些跨学科模型极其复杂，它们只能用高性能的计算机来评估。（附录A描述了计算机科学在许多不同领域的运用。）
在市场中，计算机科学可以改变商业事务和工程技术，提供竞争优势。综合模型和模拟技术曾使波音公司缩减了作为其机翼设计过程一部分的风洞实验，节约了成本，使产品更早上市。（图2）。 在最近的一个企业竞争力调查委员会中，决大多数人认为，计算机科学对公司的生存，不仅是有利的，而且是必不可少的。
方兴未艾的革命
新型功能强大的望远镜推动了天文学的发展，而不是材料科学。优质新型的粒子加速器促进了高能物理学的发展，而不是遗传学。相比之下，计算机科学却推动着所有科学，工程学的发展，因为所有学科都得益于高分辨率的模型预测，理论确认和实验数据分析。就像计算本身一样，新的科学发现越来越依靠传统学科的交叉，而计算机科学使学科的综合研究成为可能。
计算机科学的普遍适用性，在知识方面来考虑，是它的优点，但在政治方面，是它的缺点。因为所有的研究领域都得益与计算机科学，而没有一个研究领域是由它所确定的，因此，这个典型的多学科领域从来就缺乏其它学科拥有的有组织的，具有凝聚力的倡导群体，也缺乏伴随的策略评估机制，评估国家对先进计算机科学不断增加的需求。美国总统信息技术顾问委员会认为，如果一个国家不能容纳计算机科学的发展，那就预示着，它更不可能意识到这一点：在21世纪，研究领域的诸多挑战本身就是跨学科性质的，为了应对这些挑战，来自科学，工程学，公共政策和社会科学各个领域的人们都需要发挥他们精湛的技术，共同努力。
因此，尽管我们在计算机科学领域中取得了骄人的成绩，主要由联邦政府支持的研发项目，大部分还处于传统阶段。以单一学科为基础的支离破碎的研究阻碍了计算机科学的充分发展和在先端科学中的运用。而且，目前，我们还没有足够的计算机科学家，我们的学生还不能适当地运用计算机科学。联邦机构的结构死穴反映出学术界教育结构设置的陈旧过时，使计算机科学系的学生，与其它系相比，处与不利的竞争地位。
另外，尽管最佳性能和计算硬件也很重要，但对它们的过分关注，掩盖了这样一个棘手的现实问题：计算机科学中最严重的技术问题是软件，
边框2 重蹈覆辙：没有记取的教训 在过去的20年里，我国科学界发表了不少报告，建议在基础技术方面（演算法, 软件，体系结构，硬件和网络）进行持久长期的投资，并运用它们以实现计算机科学可能带来的利益。这些报告强调了计算机科学在支持，促进，激发和改变科学和工程学行为方面的重要作用。 这些报告也强调了计算系统如何被用以解决更复杂，范围更广，规模更大的难题，包括那些原本难以解决但对国家至关重要的难题。很多的报告都引起了一定的反响，但反响往往是短暂的。总体上说，短期投资和有限的策略规划导致了对递增研究的过分关注，而不是对那些能解决重要问题，有持久影响力的长期研究。这些报告和相关信息被总结在附录B中。 国家的成绩报告卡上，可能会记载着C-的成绩，还附带着老师写的便条，上面写着：“该生很有潜质，但一心只想按时完成作业。有时难以和同学相处。”
可用性和经过培训的工作人员。我们往往很卖力地用原始的软件和编程模式在最新的平台上扩展旧的应用程序。同时，基础性的研发项目却被无休止地推迟，等待时机。而无论是创建简便易用的平衡的软硬件系统，促进高等模式的应用,还是使他们在计算科学应用上的表现达到最佳, 基础性的研发都是必要的。更令人担心的是，这些问题限制了广泛的教育和培训，是智力发展的极大障碍。
总统信息技术顾问委员会的行动倡议
总统信息技术顾问委员会认为，如果美国想要维持其在科学，工程学和经济革新方面的世界领先地位，就必须彻底改变目前的教育研究结构设置和工作重点。并不是只有我们才这样认为。20年来，政府，学术界和企业界的组织机构不断倡导持续长期的投资以实现计算机科学可能带来的利益。就像边框2中所指出的，这些倡议的影响是有限的。长期投资和有限的策略规划造成了对递增研究的过分关注，而不是有长远意义的长期持续的研究。而且，“各自为政”的心态限制了部门之间思想和技术交流，导致重复性研究和缺乏协同。
以下的主要发现和建议是总统信息技术顾问委员会的行动倡议的开端： 主要的发现
计算机科学对于解决各个领域的复杂问题都是必不可少的，无论是传统的科学和工程领域，还是诸如国家安全，公共卫生和经济革新等重要领域。由于计算和连通性系统的发展，我们能够创建计算机模型，获得并分析庞大的实验和观察数据，解决以前被认为棘手的无法想象的难题。然而，尽管计算机科学有巨大的需求和发展机遇，联邦政府和高等学府还没有很好地意识到计算机科学在它们的
组织结构和研究教育规划中的策略性地位。这将影响到美国的科学发展在世界中的领先地位以及它的经济竞争力和国家安全。
主要的建议
在21世纪，我们面临的最重要的问题，主要是跨学科，跨机构，跨部门和合作性质的。为了发挥计算机科学在解决这些问题中的重要作用，高等学府和联邦政府的研发机构必须共同合作，进行基础性的结构变革。为了实现必要的变革，联邦政府，必须和学术界，企业界一道，创建并执行长达几十年的路线图计划，协调一致，促进计算机科学的进步，并推动其在科学工程学中的运用。
我们现在正处于关键时期，如果我们不能着眼于长远，坚定信念，对我国的科学发展和经济竞争力将会产生几十年的不良影响。正如我们在主要的发现和建议中所指出的，我们必须在政府，学术界和企业界之间开展全新的大规模的长期合作，以使美国在21世纪，拥有必要的计算机科学技术和资源，确保国家安全，经济繁荣，生活水平不断提高。在这份报告的第2章到第5章中的发现和建议中，美国总统信息技术顾问委员会列出了必须要解决的结构性问题，并提出了一份持久的路线图动议，以指导全国在计算机科学领域的合作。
2中世纪的还是现代的？21世纪研究及教育结构模式
结论:
学术界和联邦调研机构中传统的学科界限严重的阻碍了计算机科学研究和
教育的有效发展。因为缺少长期的跨学科、跨机构或跨部门的激励，结构性创新受到严重的抑制。 建议：
大学应该通过改变组织结构，来推动和奖励能够促进跨学科科学发展的协作性研究；大学还应该建立新的跨学科结构和组织，夯实多层面的教育土壤，培养出高级的计算机科学家，他们能使我国处于科技发现的最前沿。 建议：
建议国家科技委员会委任国家研究院出台一份关于战略性计划与合作的快速
研究，宗旨在于促进联邦研发机构角色和职责的改变和创新，以求更好的支持计算机科学的发展。联邦研发机构应该在这一过程红发挥主观能动性，同时，为了加快计算机科学的发展，个体单位也应该个他们的组织结构。
消除结构死穴
研究院的组织结构源自文艺复兴时期，系、院以及整个大学都按学科分类。这些组织结构鲜有发展，所以创建一个新的院系往往很难，需要经过数十年的商议和策划；而重组或创建一个新的大学就更难了，简直是学术界全国性的新闻了。联邦研发机构在组织结构的改变商业受到类似的限制，实际上，绝大多数联邦研究院现行的组织结构与理工性大学或医学院的组织结构是一样的。想想研究院和政府中人们的思维方式和想法大同小异，他们的组织结构上的这些相似性就不言而喻了。
大学、机构以及国家实验室之间的关系使现行的组织结构更为根深蒂固。大学和国家实验室是技术人才的孵化器，培育了许许多多的研究机构的领导人。大学和实验室是联邦筹资研究的直接受益者，同时大学和实验室也培养和锻炼了新一代的研究员和教育家。诚然，大学、研究机构以及实验室之间的这种密切关系保证了美国在科技发现和相关的研究中处于领先地位，确保了美国的经济和国家安全利益，但是当环境要求改变时，这种体制抵制快速的改变。其结果是这种体制深受时间的制约，深受学科隔阂的囹圄，而且学科之间严格的界线使其难以适应日益变化的研究需求和竞争压力。
当然，学科交叉中心和机构就是一个例外，不存在上述问题。一般情况下，当需要某
表3 传统的大学组织结构图 （图不清楚）
种特殊的技能、但单一的学院并不具备这种技能时，或者当他们试图缩短院系或大学内研究者与研究者之间、教员与教员之间以及学生与学生之间的距离时，这些实体应运而生。鉴于联邦研发机构的研究项目一般都有届满条款，这些实体经
常都是昙花一现而已。不管是研究机构还是大学都没有改变他们的基本组织结构。
大学、联邦研发机构和国家实验室想来的生产力都不稳定，现在，在科技上的国际投资日益增加，美国缺少跨学科科技和工程教育意识，联邦对于长期的基础研究投资减少，它们的生产力就更加岌岌可危了。这种现象必须改变，为了发挥计算机科学的最大潜力，以支持我们国家的战略性利益，大学和联邦研发机构都必须跳出学科界限的囹圄，并且改变其僵化的组织结构。
不断变化的机构角色和优先权
联邦研发机构在不同范围的时间轴上肩负着包括基础研究和应用研究的双重职责。短期应用研究甚至可以在一个月之内产生实际应用价值；但是同时，长期基础性研究则置长期效益而不顾，其研究动机在于求知欲，因为历史经验告诉他们基础性的长期研究必然会产生大型的、长期的、令人意想不到的效益。计算机科学研究则是这两种研究的折中，其研究既包括基础性研究，又包括应用性研究，既是基于战略性研究计划，又基于人类的求知欲。
从国防高级研究机构的增强国防能力的研究，到全国卫生研究所的提高健康保障的基础医学研究，到科技能源部和国家科技基金会的基于长期的基础性研究，联邦研发机构的职责包揽万象。由来，这些研究机构在基础性和应用性研究计划和支持上，都有各自的独特的合作性研究小环境。
基于对联邦研发机构活动的分析，总统信息科技顾问团得出结论，即：联邦在计算机科学上的研究过渡集中于短期的、低风险性研究上。从长远意义上讲，这其实是一种高风险的战略，很难为将来产生高效的、战略性的创新措施。赋予研究机构多样化的研究职责，可以降低这种风险。例如，每个研究机构可以拿出一部分研究资金，集中用于高风险研究，将那些同时发生的变化留给那些评价和筹资机构，以确保风险多样化。在《信息科技：对未来的投资》（PITAC,1999）的报告中，总统信息科技顾问团强烈建议赋予联邦研发机构从事开拓性的、可持续性的长期信息科技研究。
联邦研发机构由于内部机遇和外部环境在计算机科学研究上角色和优先权的改变，必然会对其同盟机构产生正面的或负面的影响。在20世纪80年代和90年代，国防高级研究项目机构在新的平行建筑和高级原型上的投资，不仅促进了建筑设计从传统的单向建筑的转换，而且为其他研究机构奠定了理论基础----国家科学基金会、能源部和国家航空航天机构在平行运算法则、软件工具和技术上开展了研究，并取得了科技效应。后来，国家高级研究项目机构终止了这项研究，导致建筑研究领域出现了真空现象。
为了确保国家研究优先权不受这种研究机构的优先权转化的影响，需要研究机构内部和研究机构之间开展大量的合作。虽然联邦软件测试中心内部的网络信息技术研发附属委员会推动了跨机构的合作，大规模的机构优先权的改变还是产生于研究及后内部，或是产生于联邦预算过程。这些问题将会在第三章进行讨论。
联邦研发机构、国家实验室和大学不得不受制于外界的专家评论的影响，在大学里，这些评论下自院系和中心的评论，上自大学评估。虽然每个联邦研发机构内部都有各自的顾问小组和疏忽提醒小组，但是对于联邦研发机构的角色和优 附表3 计算机科学人才缺乏 最近一项经济竞争调查报告显示，计算机人才的缺乏严重的阻碍了计算机工具、技术和基础构造的商业发展。国家实验室和大学里的研究人员也持有相
同的担心，提出很难找到既具有专业知识、又具有计算机知识的研究生、博士后研究员和职员。 在美国日以减少的自然科学和工程技术研究生中，计算机科学研究者支代表了其中很小一部分。美国公民计算机技术的缺乏特别是对国家实验室造成了一定威胁，因为国家试验实中很多职位都需要作忠诚调查。 先权怎么样才能全面的支持计算机苦学的生态系统的问题。现在没有人真正考虑过。基于现行不断涌现的计算机科学的研究机遇，急需出台一项关于机构合作、机构结构和跨机构合作奖励的评估政策。
跨学科教育的挑战
基于对大量现有文献的研究和调查（附录B），总统信息顾问团发现21世纪对我们提出的挑战需要不同领域的洞察力和技术，以及具有不同技术人员的团队协作研究。尽管这样的团队炙手可热，可是要组建它们却非常困难（附表3）。在不同研究方向上的计算机科学家们发现要找到具备算法技巧、软件、建筑、数据库管理、图像、行为分析、工程技术以及公共关系等技术的学生和博士后研究员，简直是难上加难。
从这些观察结论中我们可以找到学科文化的主导局面，从中我们也可以发现，急需找到刺激跨学科合作和教育的机制。例如，生物医学信息科技初步行动报告中提及了生物医学和信息技术这两种截然不同的文化，在生物医学领域的博士后研究员很普遍，但是在生物医学信息科技领域（信息技术在生物医学核医学实践中的应用）的博士后研究员却非常稀少。
学生如果能在课堂研究之外，具备一定的实际操作经验，他们会受益很多。这表明新的研究项目应该给研究生和本科生提供一些试验性的协作学习环境，而且这些学习环境应该跟研究院系和机构的研发工作联系起来。这些学习实践应该将学生至于实际的情形之中，包括实习和实际试验。为了设计这些新的项目，我们应该以最佳实践、模型和结构为目标，支持计算机科学的课程发展，
在本科生阶段实行跨学科项目的困难是严峻的，因为学生和用人单位均倾向于看重传统的单一文凭。但是，我们必须让本科生了解到计算机科学领域的潜力和机遇，只有这样他们毕业后才能对这一领域有一个全面的认识，也会满怀兴趣地从事计算机科学领域的研究生项目或研究生学习。解决问题的方法之一就是从单个课程的开课开始，最终可能发展成为计算机科学的集中讨论、辅修和主修。此外，我们应该想办法鼓励计算机科学的教员们多多了解自己专业的潜力和发展。
在过去的十年中，为了满足上述需求，一些美国的计算机科学教育项目产生了。一则关于研究生计算机科学和工程的教育项目的报告（SIAM,2004）显示，迄今为止，有28个这样的研究项目。它们有两种基本的组织形式，一种形式与计算机科学工程学位挂钩，产生于数学或计算机科学学院；另外一种与数学、计算机科学、自然科学或工程学学位挂钩，但是专攻计算机科学工程。
但是，计算机科学项目中的研究生数量还不能满足现行的需求量，更不用说将来的需求了。正如竞争调查委员会的报告[Joseph et al., 2004]所显示，这种需求存在于国家实验室、大学以及商业环境。大学早就该采取行动了，为了促进和奖励跨学科和协作性研究和教育，大学应该调整期教育条例和组织结构，创建新的组织结构、项目和激励体制。
培养21世纪计算机科学带头人
只有那些经验丰富的学术或政府的领导人，才能发现教育和研究中相互依赖的结构上的缺陷所在，这需要丰富的想象力和卓越色思考能力。总统信息技术顾问团法初步估计，在计算机科学领域，只有不足100个这样的资深带头人，他们愿意而有能力考虑政府、学术、和工业上的国家职能。领导班子力量薄弱，不难看出前方的改革和创新将举步惟艰。
科学基础的复杂性和规模已经开始展露，需要技术上的融合来指导计算机科学应用、算法基础、数据库管理、图像工具和协作环境的构建和操作。例如，国家科学基金会的许多主要研究设备和仪器建造项目都涉及超过5亿美元以上的建造资金预算，这其中还包括扩展式土地测量设备项目，这一项目以构建一个全方位的分布式科学研究框架为目的。同样地，许多联邦支持的计算机科学应用项目都能在复杂性和研发时间上与商业软件产品相匹敌或超过它们。但是，现行的研究生和博士后教育很少能策划和操纵这种大型的项目。
为了改变计算机科学领域“心有余而力亦足”的领导人极度缺乏这一现象，我们需要展开长期的带头人培养计划，从年轻的研究者身上着眼，给他们参与专业的项目策划和管理的机会，包括公关技巧如团体策划和与联邦机构官员、国会及其议员交流和沟通的技巧，这些技巧对于大型计算机科学项目和基础建设的监督和管理至关重要。
为了培养这样的学术带头人人，应该基于计算机科学文化和需求制定短期的管理项目，可以在计算机科学的研究生课程中涉及项目管理，可以通过导师指导项目来培养年轻有为的计算机科学家。我们提及的这些例子并不是要求研究机构照做，而是说明办法是有的，需要提出行之有效的办法并加以付诸实践
公共服务可以在学术和专业团体以及政府本身加以推广。股东应该首先识别最有价值而且切实可行的项目，然后再加以实施。例如，可以通过设立青年协作项目来促进全国范围的计算机科学带头人的发展，这些年轻人可以在华盛顿参加短期的（如一个学期）关于机构间政策发展和执行的培训。这些项目可以，至少可以局部地，改变联邦组织结构上长久以来存在的问题（附表4，见下页）。带头人培养问题，可以在这一章中呼吁的国家学术研究组织结构改革以及在第三章中呼吁的计算机科学路线图中找到答案。 附表 4 对政府服务日益增长的挑战 在呼吁培养计算机科学带头人的同时，政府也应该面对在政府各阶层吸收高技术人才的挑战。长期以来的体制上的因素严重地障碍现有人才的发展，这种问题虽然不是在每个联邦机构中都存在，但至少大部分联邦机构都存在这个问题。联邦研发机构每年都应该提供大量的技术职位，从项目管理人到部门经理、助理或副经理，以及经理。诸如研发机构总负责人这类对政府政策有重大影响的高级职位肯定可以吸引并且留住真正有能力的应聘者；而政府内部的低级职位想要留住这类人才却非常困难，这主要有以下三个原因： 1． 双职工家庭的增加意味着要是有一方接受了在华盛顿地工作，这个家庭就必须在这里建造他们的第二个家，因为要是没有巨大的工作调动，家庭成员不会搬家的。创造条件鼓励更多的人在离家很远的地方工作，可以扩大招聘的选择范围。 2． 维持两个住处增加了政府福利的财政困难，虽然公务员法案可以确保个人获得与其在原来职位上相同的工资待遇，但是所获得的安家费往往低于实际所需
的安家费。再者，要是接受永久性的联邦职位，就不得不放弃原来的住所，而且政府的工资待遇比起研究性大学付给高级教员的工资要低很多。出台更加公平的住房补助可以减少应聘者的财政危机，还可以吸引更多的应聘者。 3． 联邦政府内部的利益冲突规则也给从事公务员职业的学者造成了困难。某些活跃分子有可能剥夺联邦的资金，并且单独行事，不再参与那些需要向用人单位筹资的协作项目。而一届公务员之后，再重建研究项目则需要好几十年。所以，重新评估现行的利益冲突规则，更好的区分技术冲突和实际冲突，可以吸引更多的应聘者。 这些妨碍因素使得联邦研发机构很难为中下层职位找到“最好的和最合适的”人选。而且，即市政府招聘成功了，我们的准雇员们经常对他们的职业描述不清楚，或者想要寻找领导职位，最终离开政府部门，寻找私人企业。结果，联邦项目和研究蓝图得不到充分的研究实践，研究团队在联邦计划和决策中没有得到锻炼。随着高级联邦管理者们慢慢退休了，而新的科学家和工程师的数量的减少，联邦政府必须马上面对这种状况。
3. 计算科学几十年的路标
研究发现
科学需要促使人类探索和创造新的计算技术，而反过来这些技术也促进了人类对新的科学领域的探索。这种动态的计算科学“生态系统”的健康发展需要联邦研发中心与学术界和工业界的计算技术科学家进行长期的规划、参与和协作。然而， 目前的联邦投资范围仍是短期的，规划也有策略上的局限性，并且很少有学科和单位之间的合作。 建议
国家科学技术委员会（NSTC）必须授权国家科学院迅速召集一个或多个任务团队开发和保持一个计算科学和需要计算机科学的领域的几十年的路标，其目的是确保美国在科学、工程和人文领域始终保持领先地位。这个路标不仅要包括计算机系统软件、硬件、数据获得和存储、可视化和联网技术，至少还要包括科学、工程和人文运算法则和应用。该路标必须确认并优先处理困难的技术问题，建立一个时间表和里程碑，以确保计划成功完成。它必须明确政府、学术界和工业界的角色。路标必须每隔五年评估和更新，联邦研发中心对路标的实施进展必须每两年由PITAC评估一次。
基本原理和需要
当前科学研究的复杂性在以前独立的学科间越来越多的交叉研究中可见一斑，这就需要新的合作模式。某些研究领域的进步因为缺少相关领域的先进成果和合作而备受挫折，甚至夭折。其中计算科学的作用尤为巨大。尽管经过二十余年的努力，强调结构障碍会限制计算科学的发展，鼓励对此领域持续、长期的资金投入，但联邦投资范围仍是短期的，规划也有策略上的局限性，并且少有单位之间的合作。这不但减缓了学科内的创新，而且对大量依赖于计算科学生态系统的活力的学科间的创新也有消极的影响。
计算科学的应用、运算法则、系统软件、工具和硬件，包括输入/输出工具
和联网技术， 是整个计算科学运作的生态系统的核心成分。该生态系统还包括持续的研究基础设备，包括研究人员可以挖掘的资料档案库和数据档案。因为任何成分的缺乏或不同成分之间的不平衡都会影响整个系统， 所以设计、开发和计算科学的环境支持必须是系统性的。如果不能符合这个方法， 则不可避免的会导致不符合应用研究人员的需要的不能令人满意的系统。
提高计算科学的潜力以免对现在和未来的挑战将需要一系列复杂的、互相影响的、长期的工程。将这些工程整体考虑起来，就会有一个动态的项目，包括大量的组成成分和社区，持续不断的努力，以期达到提高科学探索的目的。最近在其他复杂领域的经验也证明，详细的、经常更新的长期项目管理规划－经常被称为“路标”－是在大范围内测量和维持谐调创新的最佳方法。
PITAC认为，开发和维持一个长期的计算科学的路标对其未来的健康发展至关重要。从路标中得出的知识和长期策略将会指导在运算法则、软件、硬件、应用和计算科学的基本设施方面的谐调投资（30-31页的图4为建议路标的草图）。
计算科学社区内已经存在一些路标实例，包括SEMATECH的半导体国际技术路标（ITR）【ITRS，2005】，该路标定期评估半导体要求以“确保集成电路性能的先进性”，还有最近的国家健康路标研究所【NIH，2004】。其目的是“在生物医学研究中识别主要机会和差距，以便NIH的任何一家研究所都不会单独作业，而必须是该机构作为一个整体运作，以得到对医学研究作出最大限度的帮助。”该机构指出生物科学的复杂性是“一个永久的挑战”，所以将会需要该路标。
新的计算科学路标可以重新定为现今的支持结构，以表达主要社区目标，演变出新的整体的结构和组成成分，指引和谐调为了的联邦研发投资，将技术分裂减少到最小，并创造持续的基础设施和通信系统，使计算科学范围间的研究人员和有经验的参加人员一起合作。另外，它还有助于防止计算科学中受教育的和有经验的人才的急剧短缺。
在为计算科学未来几代的基础设施、软件和技术的发展方向指路的过程中，；路标必须阐明计算科学社区的多学科特点，包括它的复杂的互动性。独立项目和引发必须在路标的策略性和战术性的目标范围内进行和管理。 计算科学路标组成成分
不断的变化需要在计算科学本身和它的多领域间的应用之间有个平衡的投资。对高端科技、系统软件、程序模型、运算法则、软件工具和环境、数据分析和管理，以及数学模型的研究中，在使用计算科学来阐述附有挑战的应用问题时是不同的。两种研究都十分重要，但是它们需要不同的专业技能，一般说来由不同的人进行。混淆二者是一种错误。
除了缺少可持续的基础设施之外，脆弱的、不足的软件经常成为学科间和跨学科间团队整合和支持复杂计算科学研发能力的制约。结果，软件问题经常消耗大量学生和科研人员智力能量，成为有损研究目标的障碍。软件必须是建议计算科学路标的主要焦点。
（P30 表格）计算科学路标 路标的主要组成成分 教育和培训 职业培训 研究生教育 大学教育 K-12 课程
基础设施 领导中心 软件中心 数据中心 软件
联网技术 网格 软件 硬件
路标开始需要阐明的问题 韵律学 里程碑 技术挑战 协作
互相关联性 走向 差距
风险评估 技术
模型和模仿应用的要求 其他
右侧继续 图4
详细的、经常更新的长期项目管理规划－象SEMATECH的半导体国际技术路标那样－是在大范围内测量和维持谐调创新的最佳方法。从计算科学的路标中得出的知识和长期策略将会指导在运算法则、软件、硬件、应用和计算科学的基本设施方面的谐调投资
（P31 图）草图
（右侧说明）路标过程应包括学术界和工业界领导和高级联邦官员的参与。 政府参与应包括联邦研发中心、国家和地方防卫组、安全防御机构，及（OMB）。 由于路标具有的基本目的，路标应：
明确方法，以便在全国范围内重新强化计算科学社区。 谐调政府、学术界和工业界的计算科学活动。
具有创造性，并通过公开的过程维持，该过程包括来自政府、学术界和工业界的广泛输入。
确定量化的、可测量的里程碑和时间表
具有可评估性和可修改性，评估和修改可在预先规定的间隔内进行。
对计算科学的应用来说，路标的作用将调查研究一系列技术方案（运算法则、软件和硬件的组合）。在每个应用领域内，它都将为解决时间和研究、开发和拥有的成本提供预测。如图4所示，PITAC建议计算科学投资优先权应包括以下八个领域，但不应限制在这八个领域中:
1. 计算科学教育和培训，以确保有经过训练的和可以马上工作人员进行研
究、工业竞争和国防。次领域包括职业培训、研究生教育和大学教育及K-12 课程
2. 计算科学的基础设施，包括高端计算机领导中心、软件可持续性中心、数据和软件储存库，及中间设备和联网技术等，以便在这些中心中的使用者能利用这些资源，并在跨学科的工程中合作。
3. 符合管理、分析性能和程序计算系统的整体运算法则和软件范围，包括数值的和非数值的运算法则、软件开发环境，以在适当的时候提供活力和安全保护，并提供鉴定和证实步骤。
4. 硬件，包括惯例、商业现有项目（COTS），混合和新建筑，互联技术，I/O和存储，电力、制冷和集装，以满足计算科学应用不断增长的需求。
5. 综合系统的开发－使用试验台架的广泛设计，这些设计中系统模型和性能分析工具可以用来评估户动成分是怎样在给定的应用程序组合中有效的运作的。创造新的系统模型要能够分清长期投资和持续性。
6. 联网技术的所有方面，包括硬件技术、中间设备、协议和必要的标准，以便使用者能够使用计算资源、数据资源，以及带有所需速度和安全保证的固定和移动的传感器。
7. 数据分析、管理和不同的、多模型的数据的探索工具，包括商务智能、科学和信息可视化、开采和处理能力。
8. 在生物科学和医学、工程领域、制造领域、地理科学、国防、物理科学和社会科学中的应用。
这些话题的最重要部分在第4、5章阐述。 路标过程、结果和可持续性
路标反映了计算科学生态系统的多种需求和构成，该过程应包括学术界和工业界领导和高级联邦官员的参与。政府参与应包括联邦研发中心、国家和地方防卫组、安全防御机构，及管理与预算办公室（OMB）。
成功的路标包括规划、识别需求、建立过程要求和/或建议，以及对路标本身进行周期性测评。这个路标应阐明模型和模仿应用的要求。组织间的协作，及路标活动、走向、差距、现有技术和新技术的风险评估等的相互关联性及其他。由于这些基本目的，路标应：
明确方法，以便在全国范围内重新强化计算科学社区。 谐调政府、学术界和工业界的计算科学活动。
具有创造性，并通过公开的过程维持，该过程包括来自政府、学术界和工业界的广泛输入。
确定量化的、可测量的里程碑和时间表
具有可评估性和可修改性，评估和修改可在预先规定的间隔内进行。
虽然对任何路标来说，规划和过程都是重要的一环，但可能更为重要的是将其视为一个持续的过程。路标不是一个简单的一次性的活动，它必须是一个富有生气的文件，可以按照对性能的客观测量和演化需要进行定期的更新。
计算科学机构策略应与路标对应形成，产生更新的战略计划，辨认和阐明新的路标优先权和资金要求。为了在这些困难的努力上帮助机构，路标应为协作机构活动、成功和挑战提供明确机会。 建立－并遵循－一个独立建立的、但反映了研发和关联团体的一致意见的计算科学路标将被证明在美国“进入未来”的道路上是机器重要的一步，而在这条路上，美国的技术领先和优秀地位将保持无可非议。以下两章详细讨论了必须详述的特
定领域，以便为21世纪的计算科学绘成
4 为研究和竞争提供持续的基础建设
化学家Humphrey Davy先生曾敏锐的指出：“没有什么比一种新设备的应用更能促进学科知识的发展。人类不同时期的智慧并不像所拥有的工具和人造资源那样给人类劳动带来各种成功。”在2003年，美国国家科学部（简称NSB）-美国国家自然科学基金会（简称NSF）的决策部门，在和科学基础设施建设相关的报告中阐述了一个类似的观点，报告内容围绕：（a）硬件（工具，设备，检测仪表，平台和设施）；（b）软件，图书馆，数据库和数据分析系统；（c）技术支持，其中包括专家人员；（d）特殊环境和装置，如建筑物等。
NSB报告的总结指出：专业研究基础设施建设“不能与日新月异的科技发展，扩展研究以及不断增加的设施使用者相协调”，并建议NSF增加基础建设的财政预算以扩大整体设施的规模。NSB同时建议在科技政策办公室（OSTP），美国国家科学技术委员会（NSTC）和美国政府管理与预算办公室（OMB）的领导下，通过跨部门，跨企业间的合作以及适当优先保证的原则下，来保证联邦政府能够全盘的更好的服务于全国的各科学类和技术型企业。这些建议仍被搁置，大部分未能得以实行。
编码库，软件，计算机系统设备，信息和软件库，以及相关的基础结构是计算机科学的底层建筑。但是目前科研基础设施的能力仍不能满足我们探索新现象、新理论和新理念的的想法。结果就是重复劳动，正如许多单位重复建设类似项目，从而影响了科技的整体进步。总统信息技术咨询委员会认为我们必须重新平衡在基础设施和研究上的投资来实现科研成果和知识进步的最大化。在本章节中我们重点研究关于基础设施的四个重要元素，类似地，在接下来的第五章节中探讨主要的研究领域。
我们必须重新平衡在基础设施和研究上的投资来实现发展最大化。
软件可持续性中心
发现
当今的计算机科学系统失去了生态平衡，软件基础与发展中的硬件和应用需求难以保持同步。这种不平衡阻碍了软件和应用的研究，使得研究者们先建立了一个不合理，不成熟的而不是现代的，高质量的软件基础平台。 建议
联邦政府应支持建设国家软件可持续性中心以加强，公证，支持和维护那些使用寿命以年代来计算的重要计算机科学软件。对软件的范围和特定软件产品的选择应咨询学术界和业界人士。软件开发商也应以合作的伙伴的形式包括在内，这样他们可以持续开发研究所需的软件基础结构。
计算机科学软件是由不同类型的大学，国家实验室和软硬件开发商开发并维护的。在上述的单位中，他们鲜有自己的人力资源去支持、维护软件工具和确保计算机科学发展的基础软件，也缺乏人力去发展信息转换技术。相反地，学术专家和国家实验室的研究人员更多的是依靠一些没有声明完备的开发和维护的研究协议和合约。
因为许多现存的计算机软件开发商都是小公司，所以软件环境的一点小波动就可能使他们失去占有的一席之地。持续的市场是建立在长期策略和过程基础上的，这种长期市场的缺乏使得许多公司不能够轻易地通过高销量收回研发成本。于是，许多市场上的产品最初都是大学里和国家实验室里的派生软件，或经过注册或以开放源码的模式存在。
资料5 开放源型软件
开放源型软件是开发商通过国际合作开发并维护的软件，它的兴起改变了计算机科学的前景。如Linux操作系统，大概是最知名的开放源型软件开发项目，已经成为技术性信息处理技术的实际标准，并且在此基础上很多其他工具得以开发，或者可以在这个平台运行。例如包括像LAPACK这样的数字图书馆， MPICH这样的信息传递图书馆，VTK这样的图形工具，ROCKS和OSCAR这样的线束工具和Globus这样的表格制作软件等。
持续发展的开放源型软件和大规模硬件使得分工的、国内和国际的研究项目成为可能，而这些项目的实现需要成百上千的研究所和个人的基础软件共享。于是我们有必要重新思考软件的共享和授权。要达成一种复杂的整体授已经被证明是不可行的，几乎所有类似的项目均采用了一种开放源型软件模式，大体上说，这是一种允许软件以新的不同方式被再利用的“BSD模式”（来自于加州大学伯克利分校的UNIX授权方式）。不幸的是，这种模式时常会引起推进软件共享与软
件创收之间的矛盾。
正是意识到了软件共享的必要性，DOE已经开始要求其业界合作伙伴将所开发的软件源开放下分。NSF亦通过NMI成立了基础软件配置的打包和分配系统。 尽管拥有了这些可用软件资源，却少有哪些公司以接手开发软件工具或应用软件获利。一些针对这个市场未能增长的原因的研讨和报告显示，为持续软件开发、软件支持和流通的发展，政府有必要提供支持。
这种开放源型软件模式（见资料5）有效的带来一些合作项目的增加，而这些项目正需要软件的免费交换，这也是基础软件共享的一部分。正如附录A所示，有人断言这些国内外项目在可再利用和可扩展软件共享的基础上能够使科研设施、数据文档、分散的合作者及科学代码有机结合，并使编码、技术和软件工具的研究更加深入。在这个共享、开放的采购模式中，各种机制下的各个参与者联合起来获得共同的发展。
成功的使如此复杂的软件得到升级和维护要依靠主要开发者的长期服务，他们熟知软件的设计并在几年内为软件发展提供支持。稳定性和持续性对软件基本理念的保持来说是最重要的，不幸的是，鲜有开发商能够做到这一点。研究课题可以由大学各系和实验室里的研究者以及部分骨干毕业生来完成，但是建立和维护一个可以长期使用的软件则需要有经验的专家和研究团队长期加强，运通并重视软件基础，这是一项艰巨的任务。
开发和维护耐用的，用户友好界面的计算机科学软件是昂贵并具有挑战性的。尽管如此，有效的开发和支持同时需要很多学术研究以外工作：软件转让和测试，开发和测试用户直观界面以及编写文件和用户指南。理想的的软件维护中心应该与专业研究人员，应用专家和开发商来共同评估，测试，扩展公共软件。为了保证中心对将支持的软件的选择没有偏见，中心将建立独立的监督系统，理想情况下监督成员将从学术界，国家实验室和业界中选出。不管中心以怎样的模式或结构建立，我们要确保建立一个稳定的、存在时间较长的组织，以维护和发展软件。
同时，政府不能照搬成功商业软件开发的经验。当新的供应商产生，政府应该购买并应用他们的产品以致力于新的发展。除此之外，专业研究人员应该在商业软件研发中起到杠杆作用并为自己开发的软件做最好的应用示范。
因为应用软件开发的投资巨大，取代现今的低级应用编程界面困难重重。要增加我们开发巨型系统的能力将需要很多技术相应的、彻底的改变。为了实现这些改变，政府需要对很多连锁的技术进行长期的，相应的投资，以确保软件开发环境的连贯性。
国家信息软件库
发现
21世纪，科学仪器和传感器在数量和形式上的爆炸性增长带来了不可计数的信息数据，实现了主要科学历史性的突破。计算机科学如今已超越了运用各种数据建模和模拟，而需要信息的管理，开发和查询。
建议
联邦政府必须为计算机科学信息库提供长期的支持。其中应包括固定框架，元数据结构，编码，套装数据，应用程序以及检查确认结构。政府必须要求出资的研究者将他们的数据和研究软件存入该数据库，或为遵守必要的安全或保密要求的来访者提供链接。
制造出价格低廉的数码相机和轻便的数字音乐播放器的技术发明同样衍生了新一代的高精密度科学仪表和传感器。低成本的基因序列使得整个生物体的染色体对比成为可能，价格低廉的微阵列可以在一份小的标本里同时检测到上万个基因的不同表达，高分辨率CCD探测仪使我们可以在浩瀚的宇宙中做大量的信息采集，这些都为我们提供巨量的实验数据。例如，大型天文望远镜（LSST）每晚会采集40GB的数据，而这些数据都会被记录，处理和分析。
大范围的国内外分工合作所产生的生产力决定于那些远程的联合数据，这就需要相应的数据管理和数字资源长期保存。从国际虚拟天文台联盟（IVOA）到ATLAS和CMS，再到国家生物技术信息中心（NCBI）和大规模社会科学信息档案馆，分散数据的长期维护、元数据为学科信息共享所作的发展，以及信息来源确认机制都是探索新发现必须的。
为了做好软件维护工作，去支持维护耐用的，友好界面的数据库是一项耗费人力和物力的挑战，许多要求的技能和工作常与专业研究无关。尽管如此，如果没有这个数据库，许多研究活动就要被迫中止，或者研究者必须建立非正式的数据库却无法保证它的长期存在性。
国家数据和软件库，例如软件维护中心，将需要各部门同心协力的发展和支持，这需要我们在第三章中讨论的优先研究项目和计划的策略指导。这些设备价值不菲，但失败的技术支持将导致研究投资的浪费和生产力的丢失，这在以前就曾发生过。
全国高端计算机主导中心 问题所在
对于那些对计算机技术要求非常高的研究人员来说，高端计算机资源很难获得并利用。高成本和计算科学专业技术的匮乏使这些资源的利用成为难题。而且，可利用的高端计算机资源认购严重超额。 建议
政府必须为全国高端计算机中心提供长期资助，以充分保证最迅速和最强有力的高端计算系统的正常预定的配置和运算。而我们正是利用这些计算机系统解决最难的计算问题。除此以外, 技术中心必需接待最广大的用户。联邦政府必须协调各研发部门间高端计算机的基础设施配置工作，以保持和路线图技术协调一致。
对高端计算系统的使用不仅仅是研究问题或国家安全问题。在商业委员会对那些商业领导的调查反馈中,几乎所有人都表明高端计算的工具是不可替代的。另外, 美国国家科学基金会的网络基础设施报告,美国国防部的集成高端计算的报表,和美国能源部的比例研究全部表明, 今天的高端计算系统的技术是远远满足不了21世纪的研究挑战和国家的需要的。
来自于多学科和企业领域的专家们一再提出要求，要达到当前水平的50至100倍，以达到新的，重要发现的水平。（当前高端计算科学应用实例见附录A）。例如, 美国国家科学基金会网络基础设施报告表明, 美国学术研究团体应该得以运用那些在任何时间都能够建立并运行的高性能计算机，而不是那些能量级别较低的计算机。而在过去十年里情形一直如此。 今天此问题依然存在。
美国开放式的高端计算综合能力近似于科学界预计的单一的突破性的科学应用研究系统。但是这些开放式系统是由很大数量的用户共享的，并且这种性能经常只是尖端硬件性能的一小部分。这个问题不单单是某一个机构的问题, 而是高端计算的能力还远远不足的问题，这就需要所有的机构共同携起手来解决问题以达到各个团体的需要。高端系统配置不应该被视为部门间的竞争，而应作为各个部门的共享的战略需要，这就需要各部门间的团结协作。
今天, 国家高性能计算中心---主要是在以下部门的支持下运作的：美国能源部支持国家能源研究计算机中心；美国国家科学基金会支持位于圣迭戈的超大型计算机中心，国家超大型计算机应用中心，和匹兹堡超大型计算机中心。这些计算机中心依靠特别资助获得独立的采购，这有别于领导层级别管理决策下的采购。正如以下部分所描述的那样，这些中心的持续性投资和新型策略性采购将有助于确保美国研究人员和工业部门可以获得使用最高性能的计算机系统，并且通过签订长期合同，分期偿付开发软硬件的费用从而提高其利用性。 基础工程、社团和可持续性:坚持到底
调查结果
本章所称之计算机科学生态学是国家在21世纪进行调查研究和教育所必须的学科.正像任何一个复杂的生态系统一样, 其所有的组成部分蓬勃发展, 整个生态系统才能繁荣兴旺---计算机科学的应用, 需要人们投入资源和时间,还要依靠人的生理结构.只有持续,协调地投资于人力、软、硬件和数据库,作战略性的安排,才能使美国兑现利用计算机科学根本改变科学发现,增强经济竞争力,加强国防安全的承诺. 建议
联邦政府必须贯彻长期协调一致的计算机科学计划,包括拨款资助互联计算机软件持续中心、国家数据库、软件库和国家高层领导中心,这些机构的研究人员使用上述资源,也使用地区和地方资源,以形成平衡、连贯的系统. 这样的资助方法习惯上适用于研究社团, 使他们能用上科学仪器,如光源、望远镜.这项方法也越来越多地用于数据中心社团,比如使用基因组数据库的社团和用于国防部门.
在联邦政府资助R&D项目之后不到二十年的时间里,因特网便成为了国际现象和经济推动力. 同样地,探寻和证实气候模式,这一模式包括海洋、气候、海洋冰层、人类活动,需要多重循环探寻,计算机实验和分析要持续数十年.尖端计算机科学应用是一个复杂的过程,需要人们组成团队持续工作十年或更长时间,才能使投资受益.
HPCC(围绕电脑通信及信息科技的高速运算)伟大挑战计划(关于伟大挑战的讲习班,1993),DOE(环境事务部)利用高等运算从事科学发现计划(SciDAC)(DOE,2000),还有其他计划,资助由五到十名研究员组成小组,进行各种各样的训练来汲取知识、经验, 尤其在计算机科学和物理学领域,训练时间持续三到五年.通常,合作所带来的最为主要的科学成果在计划结束之后很长时间里才会显现.由此可见,项目组的大小如何控制,持续提供的资金如何分配,才最有可能使科研成果最大化, 这一点还很难确定.个案分析和人种评价将有助于说明最为有效、可靠的项目大小和持续时间的分配.
在许多科学领域,大规模的科学设备(如加速器\\望远镜和环境观象台)可供数十年使用,搬运费用十分巨大,这一点作为投资策略的一部分已是既定事实.尽管可供计算机科学研究的物理设备和辅助支持系统还未被广泛认同和理解,但这一基础设施的重建同样花费巨大.承认这些代价并把整个计划的费用控制到最低,定期复查基础设施的管理和进程,而不应该只是评估基础设施的效用,只顾继续投资.花边新闻6描述了这样一件事:联邦政府努力为美国学术研究建立一项全面的、长期的计算机基础工程.
花边新闻6 综合计算机基础工程 研究的加强和知识社团的出现说明,在美国及全世界, 基于科学知识的多学科、合作研究活动不断增多.事实上,所有学科已经达成了某种共同点, 即被科学技术生产力所推动, 被一种需要所拉动,那就是在科学和工程领域取得至关重要的优先权来宣布革命性的发展 在美国,NSF(美国国家科学基金会)已经采用了“计算机基础工程”这一术语来描述未来复杂、综合的计算机绣帷,它的要素将包括无缝网状系统,系统软件和中间件,中间件能提供一般容量,能够为数据、信息、知识的管理、处理、转移提供具体工具.由NSF委托所做的报告,“通过计算机
基础工程彻底改变科学和工程学”,赋予计算机基础工程如下特征:它是计算机网络空间的组成部分,在此空间里科学家们能够“建立新型的科学和工程学的知识环境,能够凭借新的方式组织、从事调查研究并取得新效果”. 计算机基础工程的组成部分应该包括: •优质运行的、全球范围的网络系统,不论是合成的或传统的电脑整包交换,还是基于高速宽带视频网络的先进模式 •易于建立和实施安全交流、合作研究的中间件 •优质运行的计算机服务体系,包括数据、信息和知识的管理 •观察和测评服务体系 •改进的接口和视觉服务体系 美国长期以来对于使用计算机的科学基础设施的获得都保持变态的方法，特别是对于那些高运转的计算机系统，美国联邦政府是最初的使用者。尽管政府已经从最初的计算中找到并设计出高运转系统的商业模型，它的获得大体上说还没有成长为长远的战略计划的一部分。
防御手段的获得是长远的任务，目标，常常要花费30年，甚至更多于多个单元，他们包括对于专业技能的辅助支持。尽管他们也被卷入具有强大竞争力的选择过程，联邦政府的政策保证了多方卖主的可实现性。
高运转的计算机系统和防御硬件系统有许多共同的特性，比如说飞机机翼，潜水艇和发射器。他们为具体的技术目的而建造，他们的自身发展付出了巨大的成本，并且他们只根据其他商业市场的规模而小批量出售。从根本上说，每一个获得都是一个独立的活动，市场的动力依赖于两个方面的保证：一为公司生产的可持续性，二为这些复杂系统的保持性。
然而，与军队体系不同，由工业促进发展的高运转计算产品是商业的产物。原因如下：不同于军队的获得，存在于高运转的计算机系统及其有关的项目中的联邦的获得缺乏形成公司战略的两个必要因素——规模和长远任务，目标。因此，与防御系统中的情况正好相反，对于工业来说，依赖于这样的获得作为长期的发展的基础，风险很大。
结果，美国计算工业的戏剧性的增长及其相关的经济利益，已经转变了作用于计算系统设计的影响的平衡，从政府转到了私人部门。由于与之相关的计算机市场的规模已经缩小。在美国长期竞争必需的软件工程中，我们还没有维持必要的创新和投资水平。对于国家来说，把几孙科学基础设施的获得看作是一个长期的战略任务而不是短期战略过程是很重要的。这样的转变就要求联邦部门，公司和消费者的更深层的合作来支持必要的软件工程的调查研究，发展控制模型和获得调整系统中的多代。
当讲述使用计算机的科学基础设施的时候，这个组织必须在其自身的规范性
内开始以严肃的态度面对最难处的的竞争。
这些问题，包括软件的不足，硬件工程技术的过时和数据库管理的压制，将在第五章作更深层的讲述。
5 研究和发展的竞争
发现：
在软件，硬件，数据，网络工作和人力资源等方面长期的稳定的投资是使处于领导边沿的使用计算机的科学成为可能的唯一要素。在有活力的简单易用的软件方
面的投资不足，对于硬件运转的过分关注，能够与使用计算机的科学需要相互协调的工程的有限以及对于数据基础设施和工具的支持的不足已经威胁到了美国的科学领导地位，经济的竞争力以及社会的安定。 建议：
联邦政府必须重新调整平衡它在各方面的投资：一，开发创造一个简单易用的适合使用计算机的科学的新一代软件，这种软件能够降低减少寻求当今具有竞争性的科学申请办法的复杂性和时间，并且能够创造解答新问题的准确的模仿。二，设计，模拟并且评价新的硬件工程。这种硬件工程能够传递解决更大比例的关于科学申请的硬件运转。三，鉴于数据的爆炸性的增长，关注数据密集的使用计算机的科学申请。
第三章的roadmap的发展过程旨在指定一个关于使用计算机的科学，软件，工程，硬件，数据管理，网络工作和人力资源的计划。然而，有些问题对于长期的计算科学的成功是致命的要素，所以作为计划的基础，更深层的解释是必要的。这一章更加具体的讨论了R&D的挑战，这些都超出了HECRTF的发现的范围，抓住了主要的技术和申请方面。另外，附录A更具体的描述了在这些领域中多样的使用计算机的科学申请和技术的案例。 48-49
计算机科学软件
正如在第四章中所讨论的，计算机科学软件中的危机是多方面的，并且补救是非常困难的。多年来不充分的投入，缺少有用的工具，没有广泛接受的标准和最佳实践，缺少第三方计算机科学软件公司，或者简简单单缺少社区的持久性，都可能导致这种危机。这种现象是广泛而又深远的，在应用，编程模式，工具，数据分析，形象化工具，和中间设备里都存在。 编程的复杂性和使用的简易性
在过去的十年里，高端计算系统中的增长主要是由于处理器方面的戏剧性增长。由于很少进行下一代建筑的研究，大多数今天的计算机都是基于群的设计，这些群将大量的COTS计算机连接起来。在2004年11月，在全球前500的名单上，60%的系统由群连接，95%的系统使用COTS处理器。
尽管这种COTS硬件影响计算机主流的进展，随着应运而生的高端的增长河财经支出的下降，人力花销依然很高。结果产生的体系很难编程，所取得的成效也只是理论高度的一小部分而已。今天的科学应用大多数情况下是最后一代软件工具发展的--相对而言是未经过加工的工具，例如，那些在今天的商业领域使用的。在某些方面，自1970年以来，编程没有巨大的变化。
在许多环境下，Fortran和C依然是主要的编程语言。大多数的低级的平行的编程仍然基于MPI，一种信息传输模式，它要求应用程序开发者提供关于应用软
件行为的深层知识和与计算机硬件的相互作用，很像生产线语言的编程。这一点，相应的也给开发者增加了智能上的负担， 导致了不断增长的关于高端计算系统可用性上的限制和一些骨干研究者进入这些领域的限制。
这个问题对于那些刚刚新兴的计算机科学甚至更有挑战，例如生物和社会科学。在这些领域里，没有一个关于应用发展的长期历史。而是，研究者们在探寻容易使用的软件，以至于能够分析复杂的数据，混合不同的模式进行跨学科的分析，和实现复杂交流的形象化。
商业的计算机软件为计算机科学软件的可用性提供了希望。这种广泛应用的高质量的，价格低廉的计算机软件使使用者对缺少相似的计算机科学软件感到质疑，尤其是高端系统，期待着计算机和那些高端系统之间的相互操作性。但是开发强大的工具来满足计算机科学市场的500套就像开发开发个人电脑市场一样昂贵-前者只是缺少财政激励。
随着网络和计算机操作应用的迅速成长，人们已将注意力从与计算机科学和政府需要相适应的计算机操作成分的工作发展移开。技术性的计算机操作市场小得已不能再容纳更多的工业所带来的利益。于每年获得多于500亿美元的服务业相比，高层次的计算机操作的获得的利益每年估计达10亿美元。[Kanfman,2003]为了满足系统科学的工作量的要求，我们需要新的高层次的计算机操作设计，这包括完全习俗化的高科技设计和基于商品成分的更加适合的设计。
遗憾的是，计算机体系结构的研究渠道已几乎流空。美国国家科学基金会为高性能计算机结构体系研究所设立的奖金增加了75%，为发表论文而设立的奖金增长了50%，但却没有给有意义的论证系统的奖金。为了美国能在计算机科学上保持领导地位，我们必须确保元件、系统和具专业知识的国内供应厂商的复杂性和生存。为了满足当前和未来的需要，美国政府必须肩负起对加速在计算机体系结构的发展和确保有多个能解决硬件和软件的计算机科学问题的国内供应厂商的基本责任。如第四章的注释，这种R&D必须既得到联邦政府的补贴，又得到稳定长期的利益合同方面的支持。
总统信息技术顾问委员会相信，政府必须发起以建立新颖的计算机操作系统的先进的样品为目的的新一代规则系统、软件和硬件程序。很多像DARPA被资助的分别在20世纪70、80和90年代应运而生了ARPA网，ILLIAC IV和其他系统。这些原型项目应该会有足够长的寿命和充足欲滴的预算去发展和检测和评价非传统设计的性能。“探险21世纪”在1999年委员会报告上作为能适应计算机科学应用而创造更好的系统的方法而公布于世。[委员会，1999]
在20世纪90年代，美国政府以支持几个新的并行的计算机系统的发展。回顾历史，我们很清楚，我们没有学到引导计算机操作的首要内容，即长期持久平衡的投资于硬件软件上。
我们在软件上投资不足，还希望创新的研究方法能在一两年内产出健全的成熟的系统。只需看看任何一个大规模的软件系统就可以认识到在生产一件有用的并大范围使用的产品中发展、调动和反馈的循环周期的重要性。有效力的计算机科学体系结构将不会很昂贵。但他们将需要持久的投资、长期的研究和与从前人学到的教训结合的机会。
系统的社会科学体系结构和应用 从历史上看，计算机科学与自然科学和工程学大有联系。然而，随着大量生物模型和数据的生成，生物医学和生物学已产生。他们不仅受推崇，而且还依
赖着新计算机科学规则系统、工具和技术。同样重要的，随着一系列的明显不同于自然科学的问题和数据饱和问题的产生，社会科学和人文科学成为计算机技术的主要消费者。所有领域可能会从发展的数字和非数字化数字结构、数字管理、采矿技术和能简单应用的软件系列中受益。（附录A举了关于此问题的例子）
科学的规则结构和应用 虽然中央处理程序的增加显而易见，但以提高的规则结构和库在提高计算机模拟能力和在硬件进展的贡献一样多。53页图表展示出从为解决从偏微分方程的离散化上升的线性系统的以改进的规则结构上而得到的性能。这些收益紧跟或者可以说已超越了从穆尔定律上得到的硬件性能收益。
计算机科学应用软件必须持续的注入最新的规则结构的进展。相反，这些应用也必须主动地把研究载入规则结构中。这种相互作用凸现于引发信息引领在2003年在不同自然科学和工程学科的科学的HECRTF运动。
科学家们被要求识别出需达到其研究目的的重要计算机性能。他们说这需要有为得到大规模模拟的新理论、新设计工具和高层次计算机操作的结合，才能去达到对在纳米材料、纳米结构、纳米工具和纳米系统中的新行为和过程出现的最基本的理解。
同样，这也需要在高层次系统上的超高分辨率模拟的总效果去提高我们的能力来提供精确的整个地区的社会环境设计。科学家又指出，保卫国家智能群体的能力关键在于有真正程度上的带有各科专门计算机应用的高层次计算机操作能力。
图表：正比于穆尔定律的规则系统发展 横坐标：年数
纵坐标：过程控制性能增长率 规则结构的种类 CG：共轭梯度 GE：高斯排除
GS：高斯—Seidel MG：多网络 SOR：接替缓和
Banded GE : 联合高斯排除 Optional SOR:任选的接替缓和 Full MG: 丰富的多网络
数据管理
现在，大多数的数据和文本一开始就是数字显示的，而不是由模拟信号转化而成的。多兆象素图片，无论是来自消费照相机还是探测器，都是很常见的。据估计，我们共有的数字数据正已每年30%的速度在增加（立曼，2003）。 像这样数据迅速增长的例子大量存在。在2007年，新的为大型强子碰撞型加速装置而设置的ATLAS计算机和会话式监督系统探测器每年将产生数千万亿字节的原
始数据和处理过的数据。在生物医学领域，用高分辨率仪器捕捉到的大脑数据很轻易就超过了几千万亿的字节。社会科学领域里经历着同样的数据爆炸。 这些巨大的数字信息仓库需要新一代的更强的分析工具。过去，适用于数量不大的手工收集的数据的分析工具，现在已远远不能满足数千万亿字节的档案。没有计算机，数据，文本采集，可视化和其它知识发现的工具，我们就无法在适当的时间内分析并理解大规模的数据。而且，从不同信息中提取知识需要有背景知识，这知识主要由元数据提供的。例如，要想从某种仪器所捕捉的数据中获取知识，就得对这种仪器的特点有所了解，它适用于什么情况，它的计量限度。在决定个别的数据集的精确性和出处以及结合这些数据集数据的有效性方面，元数据是必要的。
计算科学研究者通过从实时收集仪器收集多渠道，多模态的探测数据，进入大片分布的资料库，依靠精良的模拟和可视化系统来探索大规模，复杂的，多维系统。处理这样大规模的计算需要强大的，有时分散的计算源和效率高的，可升级的，易懂的软件，这样以来，能使用户完全投入到研究问题的复杂性，而不是软件工具的复杂性。
目前，像这样的计算机应用软件还不存在。
数据密集型的计算科学，基于普遍存在的探测器和高分辨率探测器的出现，是一次新的尝试，它结合受观察所驱动的计算和分析，尤其对突发事件（地震，或者恒星事件）而且，由于计算能力不断增加，探测器和科学仪器的分辨率也迅速增加，这样以来，就创造出空前的实验数据。这样的设备不久会产生千万亿字节的数据。
实验数据的不断增加，就需要我们增加对数据密集型的计算科学的投资。现在，我们必须开发必要的数据采集，可视化，信息提取工具来从所收集的数据里获取知识。 结语
不像在五年前吸引全国人的想象力的太空竞争，我们现在在计算科学方面领导能力逐渐减弱，这是场安静的危机。尽管计算科学在促成科学，社会科学和工业方面的快速进步起者关键性作用，但是它一贯的幕后角色使数万的公民不知它的重要性。尽管他们整天享受着计算科学所带来的方方面面的好处：对国家安全的改进，能源管理和利用，天气预报，交通基础设施，健康保健，产品安全，金融系统以及无数的大大小小的方面。但是现在对计算科学的无视并不意味它不重要，只是我们缺乏对它的了解。
尽管白宫科学技术办公室发出的报告没有计划趋同，但在它的最近两项研究中：《网络安全：优先化危机》，《通过信息技术来改革健康保健》，却体现这一点。基于软件，计算系统和网络本身的技术技能和科技是美国的一项重要的基础设施，而我们却一直在忽视它。计算科学是这项基础设施的基础。 尽管计算科学的发展是由这个领域的活力所决定的，但是，当务之急，学术界和联邦政府负责的领导人应确保计算科学的健康发展，带头设计和开展新的交叉学科的研究和教育结构，使美国在21世纪能够有足够的能力解决重要的问题。除次以外，联邦政府，协同学术界和工业，必须制定一项长远的计算科学的计划，来指导计算科学和其它技术方面的进步，为众多学科的创新发展铺平道路。 遵循计算科学的总体规划，大胆果断地前进，建立一个耐用的软件，数据，高档的计算基础设施，支持在为可升级，可靠的硬件建筑而设计新一代的易操纵和使用的软件方面的研究和发展方面的投资。联邦政府，协同其它的合作者，可以帮助计算科学提升到战略性的，长期的国家的优势。
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网络和社会科学
网络基础设施被定义为有软件，硬件和其他信息技术协调的集合体。同人的专长知识一样，它需要支持当前和未来的科学及工程方面的发现。但是，它在诸如人性和社会科学等方面具有的潜在的影响却很少被发现。
在最近由支持的关于网络基础设施和社会科学的研讨会上与会者达成了几项重要的共识，这将使计算机专家与社会学家有更密切的配合与协作，在网络上通过实验与模拟去收集更好的信息。社会学家也可以利用散步的网络和有利的工具以史无前例的规模和强度去进行实验。对于面临着被大量可利用信息淹没和来自于保密及理解方面的挑战的社会行为学家来说，这样的合作有极大的益处。
反过来，社会学家也可以帮助计算机专家对计算机科学在社会生态系统中的存在有一个更好的认识。组织研究者和政治学家可以为激活网络的研究团体和基础设施提供者创建一个合适的管理决策统治技工来支持他们，而行为学家可以开发更好的人机交互模式。社会学家可以分析出所涉及的知识和网络开发的社会网络产品。心理学家和语言学家可以与计算机专家合作开发易懂实用和翻译自然语言的电脑程序。
通过增加对广泛的社会的理解，社会学家和计算机专家可极大的帮助国家从发展着的网络基础设施中获取最大限度的社会利益。
要获取更多的信息，请参阅http://vis.sdsc.edu/sbe/reports/SEBE_CISE_FINAL.pdf.
代理人模式电脑化的经济
代理人模式电脑化的经济是被互动因素的代理系统模式化的关于经济的计算机研究这里的互动因素指的是广泛的代表电脑化的结构世界的一堆数据和行为模式。代理可以包括个人（如消费者，生产者），社会团体（家庭，公司，社区，政府机关），制度（市场和规章制度体系），生物体（粮食，家畜，森林）和实体（基础设施，天气和地理区域）。因此，代理可以包括从具有深刻学习能力的主动收集数据的决策者到没有认知功能的被动的社会因素。而且，代理本身可以由其他代理组成，允许有领导的结构。
当前的研究根据目标的不同粗略的划分为四个阶段。一个基本的目标是对经验的理解。为什么尽管没有从头到尾的计划和控制，还存在保留特殊的宏观经济学法则呢？诸如此类法则的例子包括交易网络，为社会所接受的货币，市场草案，商业圈和科技革新的一般采纳。研究者找到的因果解释根植于在现实世界中不断重复和交互影响的代理操作。
第二个基本目标是对标准的理解。为何能把以代理为基础的模型当作好的经济设计的实验点？研究者追求这一目标是对评价设计是否为经济政治制度而提出或是否导致社会化的理想体系而发生了兴趣。第三个目标是具有深刻的洞察力和形成理论而明了如何使经济体系的完全潜质被很好的理解。最后是方法论的进步。明了如何在通过有局限性的计算机的实验中为研究者提供最佳的方法和工具。
举个例子，研究者与非赢利的电子研究机构一道开发了一种被他们命名为美国电子产业的模型。这个模型通过使用自动适应元素来模仿能源产业的进化，取代表可能的工业元素和拥有这些元素的企业。这个模型包括一个开放使用的应用程序和真实时间评价。努力的目标是提供高保真的模仿以提供对无规则能源产业
的洞察，提出智能软件代理可能被用于复杂的分配系统的管理和电子市场的执行的建议，阐明这样的代理是如何为自我完善和自我康复提供能源网络的。
要获取更多的信息，请参阅http://www.econ.iastate.edu/tesfatsi/ace.htm and http://www.econ.iastate.edu/tesfatsi/SEPIA.EPRI.pdf.
政治社会学的档案室
政治科技的增长的相互依赖性使社会科学数据和方法论在公共政治场所变得十分显著。但围绕着政治决策和数据有效性的辨证其本身就是一个事件。在社会科学集合内，这个问题被政治社会互往的大学团体很好得体、认知和处理。建于1962年，ICPSR保持和提供大批为研究和教学而使用的源于社会科学的数据和提供大量有效利用数据的训练。在密歇根大学的一个研究机构中，ICPSR是一个在全球范围内拥有500多名大学会员的组织。
ICPSR的数据包含了6000个研究项目和450000个文件档案 范围涉及到如人口学，经济学，教育，健康，年龄，社会政治行为的社会科学领域及社会政治态度，犯罪，物质滥用等广泛领域的内容。尽管档案包括时间段和其他类型的统计数据，但大部分档案是由从调查统计数字和管理记录中分离出来的第一手资料。ICPSR 的数据安全和保存单元被用来确保数据的安全和不易被非法入侵和破坏。它也可以通过在系统外建档和转移到新的储存媒体中来保护和保存数据资源。
要获取更多的信息，请参阅http:www.icpsr.umich.edu/.
物理学
量子色动力学：预言粒子质量
高能量物理学家已经完成了一幅有关于微观物理世界的称为“标准模型”的图片，它统一了原子核能、电磁的弱力并列举出了这个世界的基本的建构模块、夸克和轻子。然而，这个模型有严重的瑕疵—它不考虑地心引力，不解释或预言各种粒子的质量，并要求许多参数被测量并写入这个理论。
量子色动力学(QCD)是关于原子核能是怎样结合夸克来形成一类成为强子（包括质子和中子）的粒子的理论。30年来，格子量子色动力学的研究者们一直试着用基本的量子色动力学方程式来计算强子的特性，特别是它们的质量，并使用数字上的格子规格理论计算结果来验证标准模型。不幸的是，由于受到可利用的电脑速度的限制，他们不得不简化他们的模拟以便在合理的时间内获得结果，但这些结果在与实验数据相比较时有典型的大约15%的错误率。
现在，由于电脑速度的加快，改进了的、使用对物理过程较少简化的演绎法以及更好的执行编码，四个包含了26位研究者的协作小组已经报告了对于9种不同的强子质量的计算结果，这个结果覆盖了整个强子光谱的排列，而且只有少于3%的错误率。这项工作标志了使用相同量子色动力学参数的格子量子色动力学的计算结果第一次达到了对于如此不同的物理量的结果的正确性。
现在量子色动力学的理论和计算结果被保持来执行它们作为实验的平等合作者的角色。美国每年花在实验性的高能量物理学上的七亿五千万美元中的大部分都被用于对于强烈的相互作用的粒子的弱衰变的研究。要充分利用这项投资，格子计算结果必须跟上实验测定的步伐。 更多信息，查询：
http://www.usqcd.org 高温超导体模型
实验用高温超导体(HTSC)，例如铜酸盐超导体，可以在不寻常的高温条件下不引起大的抵抗来输送电流。这种新的陶瓷器材料的完备性和施展性可能有一个大的经济影响。例如，允许许多超导电缆引导电流到整个城市或赋予一个新的时代以有力的、轻质量的原动力。
尽管研究者多年的积极研究，然而，对铜酸盐高温超导体的超导性的理解仍然是材料科学最重要的未被解决的问题之一。在一个材料的超导状态，电子成对的形成所谓的库柏对（Cooper-pairs），允许它们凝缩成互相密合的肉眼可见的量子状态来无抵抗的传导电流。虽然传统的超导体被很好的理解，高温超导体中的成对的构造是一个完全不同的自然。模型描述巡回的相关的电子—特别的，二维的笋瓜模型(Hubbard mode)—被认为是获得高温超导体的氧化亚铜结晶体的面的基本的物理学。但是尽管密集的研究，这个模型仍然未被解决。
一个近期的对于新的演绎法的发展的同意以及在计算能力方面的重大的改进使得能够进行对二维的笋瓜模型的大量的平行计算并为解决高温超导体的量子多体的问题开辟了一个新的道路。在热力学范围内对这种模型的解决要求一个近似的计划。对于小的、四个原子的模拟显示了这个模型再生了抗铁磁性的、超导性的相位以及在铜酸盐里观测到的外来的常态行为。然而，计算的规模随着更大的束的尺寸急剧地增加了，并需要高运转的计算资源。 更多信息，查询：
http://nccs.gov/DOE/mics2004/Cuprates.Maier.doc 核融合等离子体和能量资源
我们日益增长的关于外国不动资源的依赖激发了我们对可以作为长期的能量资源—核融合的兴趣。这种方法，这种被提出的国际核融合实验台，正在被设计来测试新的想法并作为现实的设计的先锋。最终的成功的中心是发展一个能够在足够高的温度下包含一个稳定的等离子体基础组织来维持核的融合。但是要想决定在融合的等离子体内正在发生什么在实验上是非常困难的。一个传统的探针嵌入热等离子体中很可能喷出并污染等离子体，引发热量的散失。实验学家们必须使用无扰乱的诊断—例如雷达放射，探针测试，围绕等离子体边缘的磁性回路—来演绎等离子体的条件和等离子体内部的磁场结构。
实验的一个重要的援助是和计算的科学家们一起承担工作来创造对融合的等离子体的具体的模拟。Lawrence livermore国家实验室的研究员们与美国威斯康星州麦迪逊大学(University of Wisconsin-Madison)的其他研究者们合作，已经使用NIMROD编码在国家能量研究科学计算中心（NERSC）的超级电脑上发展出了精确地再生实验结果的模拟。随着近期他们的编码的改变，合作者们创造出了以毫秒来测量的，更接近于在实验中观测到的温度历史的有温度历史的模拟。这是跟随于这个研究小组先前在模拟实验磁性的成功之后进行的。
虽然这个模拟只占据了物理时间的四毫秒，它包含了多于100，000的时阶。结果这个小组每10-12小时在50-80次的变换中进行每一个模拟，在每个完整的模拟中消耗多于30，000的处理小时，并需要多样的模拟。 更多信息,查询：
http://www.nersc.gov/news/nerscnews/NERSCNews_2004_12.pdf. 68页
设计紧密的粒子加速器 物理学家们花费了近四分之一世纪的时间研究用激光波场加速器将带电的粒子推进为高级能源。在理论中，被等离子激光波的电场加速的粒子可以达到一百米，而运用常规的射频加速器可以使高能源达到更远的距离。像斯坦福大学研究的直线性加速器，可以把电子加速到500亿的电子直流电压。激光波场的技术使设计探索亚原子的紧密的高能源加速器成为可能，它可以帮助我们研究新能源，新科技和医学应用。
劳伦斯贝克利国家实验室的研究者们已经在认识激光波场加速器的发展上迈出了很大的一步，他们引领和控制史无前例的特别激烈的，传播性很强的激光束来制造高质量的，积极地电子束。研究者们第一次运用等离子电路的条件和激光参量实现了对空前激烈的激光束的完全引导，同时也抑制了电子的俘获现象。它为使用激光力量的等离子电路代替超高梯度的加速结构铺平了道路。接下来，运用更高尖端的力量激发等离子波，使它们可以获得等离子区电子的本底，在波的电场中迅速加速。最后，当表层的电子达到移相的长度时平息下来，此时它们在超过波的边缘上。
计算机科学：保证美国的竞争力
这些实验的结果都被代码为NERSC的VORPAL等离子模拟所证实。这个模型使研究者们看到了实验进程的细节，包括激光脉冲的衰弱，激光等离子加速器中粒子的灌入，优化过程的先决条件。 更多信息请看： http://www.nersc.gov/news/nerscnews/NERSNews_2004_10.pdf. 通过数据开采发现褐矮星
一个寻找埋藏在无边的天文数据库中未发现事物的创新途径已经创造出了
一个新的，无法期望的结果：难以观察的褐矮星新扩张的发现。科学家们创建了国家天文台，它是为无数调查统计大量天文数据资料的在线入口，并在2003年确定了新的褐矮星的存在。这个矮星是电脑在两个分离的天文数据库的上千万资料中搜索出来的。
这个新发现来自国家天文台的科学家在2003年一月美国天文协会上提出的三个科学原型。国家天文台在加利福尼亚的合作伙伴---红外线技术处理和分析协会完成了发现新的褐矮星原型的程序。
以前做这种类型天体的调查需要人们几个月的严密观察，但是国家天文台只花了大约两分钟的时间发现了这颗矮星。国家天文台的研究者们强调，在已知的两百颗褐矮星中的又一新矮星的发现并没有提供给天文台迅速线索的发现那样具有科学重要性。
一颗新星的发现是无法预计的。研究者们只希望论证程序的可行性和确认现有的科学，而不是做新的发现。但在天文台设备壮大的最初，他们就马上承认了来自数据的新发现并公开进18个月。科学家的希望看来要用更多的时间在天文台中分化：在数据中的新发现早已被天文台收集，探测和调查之所以未被发现是因为新技术正快速的把新数据灌入多种多样的数据库中。
更多信息请看： http://www.us-vo.org. 暗物质，未知能源和宇宙的结构
大约五年前，宇宙学家发现宇宙正在以加速扩张。这个发现与爱因斯坦的主张宇宙扩张随时间减慢的广义相对论相矛盾。这个发现促使科学家们期望除了暗物质，在宇宙中存在着排斥地心引力的未知物质加速了扩张。宇宙常数是暗物质模型的一种形式最早被爱因斯坦多认知，他认为宇宙排斥建构了时空的结构。
诺利斯诺大学的研究组已经进行了大比例的电脑宇宙模拟。研究显示，宇宙结构构成中暗物质的分布包括了在宇宙扩张中宇宙常量的影响。这个模拟包括了在一个有三亿光年远的宇宙立方体模型中的一千七百万暗物质粒子。它依赖于一个拥有网状精密代码FLASH的扩张的形式。为芝加哥大学研究天体物理学高热原子核反应的在ASCI中心的研究者进一步发展了它。虽然FLASH起初被打算进行超新星爆炸的模拟，但诺利斯诺大学的研究组运用自身重力，扩张和离子轨道的能力提高了它的作用。这些修改增强了FLASH对宇宙模拟的能力。
更多信息请看： http://www.ncsa.uiuc.edu/News/Access/Stories/LambdaCDM. 超新星建模
在加利略发现SN1604星后的四百年，超新星核心崩溃的构造仍然未被发现。今天，很多战线上的科学家通过电脑科技进行一元，二元和三元空间的模拟来获得对这个现象的更深认识，加深我们对宇宙自然的理解。
在过去的二十年中，多元超新星的发展也使科学家探究大气对流，自转和磁场的超新星中的作用。在这一领域的重要调查刚被TSI这一协会所证实。它是一个国家的多元协会：天体物理学的各种科学协作，原子能的物理学家，数学家和电脑科学家。TSI包括了34个来自美国11个协会的研究者和来自世界28个协会的89名研究者。
TSI的首要目标是探究超新星核心爆破的机理以及所有和这些恒星爆破有关的现象。这样相关的现象包括超新星对元素周期表的综合作用；几乎无质量的流量的散发，例如微中子；重力波的散发；激烈脉冲中微放射物的散发。
更多信息： http://www.phy.ornl.gov/tsi. 国家安全
信号智能
尽管人类智能与信号智能的性能同样被认为是国家的全面支柱性智能成就，涉及收集和处理信号智能数据的技术问题却始终不容乐观。甚至在“9·11”事件之前，DoD, 智能团体中介，以及其他的相关组织几乎无人问津，社会也很少需要他们所提供的强大的计算能力。但是自从2001年美国遭受恐怖袭击以来，这种需要开始充分增长。随着如何提升美国及其盟国的国防安全（包括预计恐怖组织和流氓政府将采取的行动）这一课题的日益紧迫，和赶在敌人的前面——哪怕只有一步——的意识的增强，集超级计算和先进的计算科学于一体的R&D已经在智能团体中呈现出举足轻重的地位。
信号智能旨在针对敌方的国外力量、组织或个体的实际能力和电信通讯。像人类智能一样，这种智能也可以参与反间谍活动，帮助支持国家对流氓政府，恐怖组织和各种犯罪因素的积极防御。
处理信号智能的领域需要应用超级计算和与之相匹配的计算科技，用来把从敌方截获的大量通讯信号转换成能够反映我们的敌人意图的，有用的，可控告的信息。然而对多得难以想象的数据信息进行截获，详审，分析和存储的过程必然要遇到技术上的挑战，比如如何破译敌人的复杂的密码系统；如何准确识别那些经常被改动的含有残缺或误写的外文字符或语句的信息。
解决信号智能问题的计算的关键因素与解决其他类型的科学问题的关键因素有很大区别。另外，大规模的智能团体——尤其是国家安全局——的探索知识的努力，明显超过最烦琐的商务“数据开采”的操作。由于对不断提升信号智能的计算科学的能力的需求，计算科学R&D以绝对的优势在反恐战争中扮演了智能团体的角色。
（更多信息，登录: http://www.nsa.gov/sigint/.）
模仿人类环境中真实状况的复杂系统
模拟和仿真技术正越来越多地被应用于一种复杂的大规模系统，这种系统在真实状况下与人类产生相互影响。例如，刺激长期扩散的流行性疾病的传播的能力，或者刺激整个都市交通系统中日常交通方式的能力，正在为公共健康部门和紧急反映协调组织提供一个有力的全新的计划工具。这种工具提供了可视化的陈述，以数据与图像互动替代了单一的复杂的数据的陈述。看着放大的图片生动地叙述在危机时刻可能发生的情况，计划者就能更有效地预先估计和解决问题。例如在某种传染病爆发时需要哪些医院，多少张病床。
由于磷火是一系列的微妙而激烈的自然现象，受到地形和气候条件的影响，它们的传播本来无法得到法精确可靠的预测。然而多亏了功能强大的超型计算机和高分辨率模仿技术的应用。落杉矶阿拉莫撕国家实验室的生态学家和火的形态研究专家已经研制出了模拟磷火的真实状况的模型，用以帮助及时灭火。新墨西哥北部林区经常出现磷火，尤其在近几年受地区性干旱的持续影响。在2000年，覆盖43，000英亩的塞罗·格朗蒂火灾烧毁了落杉矶阿拉莫撕国家实验室的一片重要的土地和附近的小镇。 人员伤亡和工期的停滞带来的损失接近10亿美圆。为了帮助预防在大都市中重演类似的灾难，实验室科学家应用地形，植被和天气状况的数据来辅助火灾模拟器模型进行预测火情，这种预测以发生火灾时的紧急真实情况为基础。同时利用这些数据设计灭火方案。
传染病传播的动态模型
传染病对人和动物的影响是巨大的，不仅使人承受病痛的折磨，而且往往造成一系列的社会和经济后果。从时间和空间的双重角度研究疾病的传播，都能使人更好地了解其传播机制和在它们在传播过程中的显著特点；使预防成为可能；帮助决定和评价控制疾病的策略。紧急的传染病，例如莱姆关节炎，艾滋病，西奈耳病毒，非典，以及最新的禽流感病毒大大提升了流行病模型的重要性，流行病模型的可视性也已成为公共健康计划和制定政策的至关重要的工具。
近几年来，传染病学家建立了代理计算模型，用来刺激传染病在一定人群中的传播和流行。这些模型以掌握疾病传播的细节和社区的动态为基础，并在模拟项目中用数学和计算科学与之结合。此类项目能提供假设，帮助决策者预想某一方案实施的结果，例如在面临流行疾病时，为公众接种疫苗或采取隔离措施。
模型软件进一步发展，它必须配置在高精度计算机上才能进行敏感分析，给出参数定义，探索病毒干涉策略来改变传染病的过程，成为对传染病——不管是自然发生的还是来自生物恐怖主义的袭击——的紧急反映的一部分。需要超型计算机力量的一个主要原因是模型和被模拟的现象本身是固有的盖然论。从计算科学的角度来说，这意味着某种特定的假设必须反复被刺激——用改进的变化来反映不同的可能性——从而得到某种特定的可能性可以产生的所有结果。当前最精深的工作，旨在战胜禽流感病毒的斗争，是可以延伸到其他传染性疾病的。
74~76页
地球科学 预测强烈的暴风雨
在美国强烈的暴风雨会带来大约800次龙卷风的袭击，大部分发生在大平原地区。除了每年平均1500人的受伤和80人的死亡，财产和经济损失总额达到几十亿美元。如今，气象预报员通常可以识别有产生龙卷风迹象的暴风雨。但是仅仅利用当前的技术，要在龙卷风来袭前半小时对公众发出警报的可能性是很小的，尽管这样的警报在时间和地点上并不精确。很大程度上由于不精确和时间紧迫，四分之三的龙卷风警报是错误的。
为了找寻一个更高级，更具有综合性的暴风雨资料收集方法，俄克拉何马州立大学的研究者们最近利用匹兹堡计算机中心的兆级系统来实施有史以来最大的龙卷风模拟。这次模拟需要一个每边50千米长和16千米高的区域。经过24小时2048台处理器的同时工作，模拟的暴风雨产生了20兆字节的数据。
模拟成功再生了一个1977风暴和它产生的高强度的龙卷风。结果记录下了风速达每小时260里的龙卷风旋涡结构，而这次纪录的结果表明这是第一次从整个雷暴到在现实中重新演绎龙卷风形成全过程。像这样的模拟是发展扫描算法的重要的一步，而这种扫描算法是为了发展一种新式的将要被安装上手机塔的低海拔雷达。这些新式的雷达安装系统将会被用于从可以产生龙卷风的飓风式的暴风雨中收集综合性的预报数据。预定于2006年开始的配置提供的装置和信息被期望可以从现在75%的错误警报率减少到25%，这将会是一次为个体和危险的不可预知的暴风雨构造增加额外安全措施的重大进步。
要获取更多的信息请浏览：
http://www.psc.edu/science/2004/droegemeier/retwistered_twister.html 加利福尼亚地震建模和数据分析
自1690年以来加利福尼亚南部的San Andreas Fault地区就没有经历过大地震。据估计，这里积聚的压力将逐渐导致一次惨绝人寰的大小为7.7的事件。无论在哪里发生，研究学家们都要不断寻找如何在这样大的灾难中拯救生命和建造安全结构的方法。
最近地震学家制造了迄今为止最大，最详细的主要地震计算性模拟。他们首要的目标是探索南加利福尼亚的深且充满沉积物的盆地是否是造成一次巨大地震的原因。研究者们模拟了一个600公里长，300公里宽，80公里深的空间，横跨南加利福尼亚的主要人口密集区。
把这个空间分到18亿个立方体的网格中，一边上200米，他们的模拟工程便生成了空前的47兆节数据。两个补充性的模拟为了同样的230公里错误的延伸而运行。一个重要的发现是破裂的方向戏剧性地集中了地震的能量。当错误从北向南延伸时，能量被聚集到南部的Imperial Valley地区，然而在北向延伸断裂的震动在San Bernardino 和Los Angeles盆地更长更强。
除了提高基础的地震知识，这些详细的模拟系统可以引导建筑师和构造工程师进行新的更多的抗震构造设计，从而限制在大灾难发生时潜在的人类和经济损失。
获取更多的信息请浏览：http://www.scec.org/cme 工程和制造业
有效率的高速公路工程
联邦高速公路行政署估计未来20年内的每年有940万美元将会被用在交通运输和系统内各部分上。平均大部分的建筑项目包括700个单独的活动，各自又包括许多个变量。
公路建筑项目期间产品的质量和耐久性是联邦，州和当地交通官员的主要考虑因素，这些因素和每个项目工程的造价同等重要。州和联邦交通部门想要确保这么重要的系统内投资是值得的是很平常的事。有一条古语 “更快，更便宜，更好——挑其中两个”，似乎在当今世界仍然适用。但是要怎样在一个重要的建设项目中，在复杂的目的中达成合理的交易呢？而且真的有可能使“平等”客观化吗？
来自伊利诺斯州大学的队伍发明了一种遗传算法，这种算法可以比较两个以上的因素在决定工程时间，造价和质量这三个的组合，从而可以在给定的情况下产生最佳的结果。这个模型允许一个工程师或建筑经理创造极大数量的可利用的建筑材料计划，这些计划可以提供在工程时间，造价和质量因素中的一系列交易。这些选择可以帮助快速消除大部分的用来替代最佳方案的计划。以伊利诺斯州公路部门提供的大量数据为基础，这个模型还允许工程计划者安排一个质量水平以达到详细的资源组合。决策者最终会被提供给一系列的最佳交易选择，从而为一项特定的工程决定最佳可能的资源组合。
创造这样的私人电脑模型的老方法是可行的，但是要花费一个月或更多的宝贵时间才能有结果。在平行的系统上评价这些模型的能力和以往比较的话能减少至多一天，使得这种评价形式对于快速的项目管理规划是合理的。
需要更多的信息请浏览：http://access.ncsa.uiuc.edu/Stories/construction/
77-81
为更新能量将生物基转化为乙醇
国际可再生能量实验室（NRBI）力争开发新技术和新工具，能使有效使大规模的生物基向可更新能量的转变，从而提供一种清洁燃烧和可再生的燃料资源。这个突破可以减少对化石燃料和昂贵的进口油的依赖程度。这个工具在经济上可实行的最大障碍是纤维素酶引起的纤维素的缓慢分解。科学家们希望能够在分子的程度上理解这个核心的过程，这样他们就可以加速更高目标的研究。
开发复杂的分子动力涉及纤维素的分解。研究者已经使用了CHARMM，一个多用途的群落法规来刺激生物反应，但是这个新的模拟试验需要很大的规模——大于100万的原子，而且刺激的时间也相当长——10的十亿分之一秒的5000次方——他们超过了CHARMM现行能力。为了使模拟细胞多孔化反应实验可行，位于圣地亚哥超级计算机中心的康纳尔大学的斯克里普研究机构和考勒罗多矿质学院共同进行CHARMM的研究工作，模拟运用现代的大型计算机 计算成千上亿的原子和数以百计的处理器的运行。这项研究成功地解决了一直是科学难题的大量模拟器，使之创造经济效益和环境效益。除此之外，对CHARMM编码的改进将造福于整个科学界，将其运用于解决富于挑战的大量科学难题。 更多信息请登陆：http://www.nrel.gov/biomass/。
地震模拟模型和储油器
过去，勘探者们曾经靠着弯着腰弓着背来勘探有希望的新矿井。今天，石油公司需用最新的科学技术来分析地貌特征，讲风险降为最低。
利用美国国家科学基金会的资源，多学科的研究组正在工作者，正在编写可以大大改进能源公司的石油储藏管理技术的软件工具。使用这些工具，可以把预想的储藏所细化为多个复杂的块体。油井、油泵以及其他设备越这些单个块体使用，与块体流动的状态接近的模型便被设计出来了。设备与这些块体换个匹配，以便组合成不同的配置，找到最节省成本的方案。这个程序可以得出10亿个可能的组合，一个有能动的数据驱动的优化系统有助于缩小选择的范围。 中间件处理由于搜索空间的粗制样品引起的数据，并确认良好的起始点来指导更复杂的搜索。动态操作和合作工具使进行中的搜索爱小组中完成。复杂的最优化算法通过比较小组中的机构来指导搜索。地震模型在仿造探测的基础上揭示了地质条件，这些条件依次调整储水池模型，使它们尽可能符合实际。
在一项美国国家科学基金会万亿格子的研究中，一套大约25000个储水池最优化操作，在不足一周内完成。在任何给定的时间内转化成200到400个操作，多于8G的地震模拟数据正被结合为储水池模型。对于21世纪的能源勘探者们来说，他们试图用更少的时间、人力和物力寻找更多的资源，类似这种研究将变得更加珍贵。
冷却涡轮机叶片以取得高效的推动力
用于推进力和动力制造中的高效的涡轮机是在接近化学计量的温度下操作的：例如接近燃料完全燃烧的点。结果，气体离开燃料室进入涡轮机的第一个阶段的温度比涡轮机成分的熔点高几百度。表面温度上升几十度就可以把叶片切成两片。因此，使这些成分冷却对于涡轮机的耐用性和安全性十分关键。 涡轮机叶片和桨叶通过桨叶内部通道里循环的压缩气体获得冷却。为加强内部的热传递，这些通道都配置了肋状的、鳍状的和超强制冷的湍流促进机器人。但
是，依靠标准的预报技术难以精确对湍流的流动做出预测。新的计算模型就为这些复杂的系统成功模拟了湍流的流动和热传递，并对设计特性做出了可靠的预测。
更多信息请登陆：http://access.ncsa.uiuc.edu/Stories/blades
轮船中的微型气泡和推动力减少
研究人员很早就知道了微型气泡大小大约在50至500微米。可以在某些情况下减少船只多达80%的阻力，减少燃亮使用量，增大最大航程，在近30年内对微型气泡的研究一直停留在实验阶段。通过活塞将空气推进有空金属板和有流水的水槽。研究人员移动这些板子的位置。增加或减少气泡的数量和大小。他们已经注意到爱拖动过程中的广泛变化，但他们还不能确定一个最佳的微型气泡系统的特性——在哪里插入微型气泡，其数量及其大小。
微型气泡是在实验箱中测量流程详细数据的传统方法受到挫折，因为光学系统不能识破由微型气泡引起的扰动。为了解决这个问题，在布朗大学，一组研究人员创造出新颖的微型气泡作用的计算模型的第一原则。通过跟踪力作用的方法来搜索微型气泡的流动和影响的轨迹。
表示微型气泡的存在和它们在流程中产生的影响，此方法还无需借用微型气泡表面物理学的模型。微型气泡是用球体动力来表示，而非固定球体。通过使用高性能计算系统，布朗团队以40的因子提高了技术状态，使跟踪500个微型气泡的模型提高到可以跟踪20000个。
布朗计算模式分布在大学、国家实验室和工厂中，它有各种各样的应用，比如燃烧、流体结构相互作用和超音波流。这项工作是DARPA的摩擦拉力减少工程的一部分。它凝聚了全国14个研究队伍的辛勤工作。这些队伍正在寻找通过制造模型和进行各种规模的实验减少拉力的方法：从跟随单个气泡的运动的计算模型到世界上最大的再循环水渠中运用的大约3*13米见方的模式。
光电子学应用中的裁缝式半导聚合物
半导体和其他无机晶体是电子学和其他技术的基础。但在排除由杂质进行过的粘稠处理后所产生的变化外，它们的化学性能还是相当稳定的。而在另一方面，向聚合物这样的软材料由于其重复组可以经过变化来适应具体环境，所以有着无限的可塑性。但是，生产所需种类软材料组织，如超薄胶卷或自我聚合过程中的通用技术受到了基层和其他分子力影响，而这些影响则会支配或削弱基本的聚合物理过程。
通过实验观察和大量化学计算研究的发展，研究人员已经研究出了一个基本全新的过程处理技术来产生光电子材料，而这些光电子材料则是由相关溶剂的选择来控制的。通过在周围环境中的加强发光寿命和图像稳定性来达到垂直于基层的统一趋向，这些研究人员已经向主要领域打开了大门。这些领域包括分子图像学、陈列技术和生物影像，同时还包括对光结合到分子毫微结构和新式的毫微尺度光电子仪器发展提供的可能性。 为获取更多信息，可登陆http://nccs.gov/DOE/mics2004/Sumpter.NanoHighlight.doc.查询。 国家领空系统的高性能计算
高性能计算系统的发展将有利于完成高效率的空中交通管制服务的任务。在空中交通的战术性管制中，制定计划时要求有更多的自动化来发现冲突并为在途经
的领域（各航空空运站之间）内的操纵器提供解决方案。在今天的太空中，飞机在标记的航线飞行的时候，被要求飞过于1930年首次设计出来的无线电信标， 而不是直接执行点到点的飞行。这将导致一架典型的飞机将飞行比航线的直线飞行距离多10%或以上的距离 。而监控者们需要这种过时的做法的基础来视觉化其领域内的所有飞机的航线，并人为地指示线路以维持足够的距离。
解决这个问题的唯一方法就是利用高性能的计算来预测冲突并实时地向飞机发布变更线路的通知。例如，一种综合的解决性计算程序能够调解两架或更多的飞机之间有可能发生的冲突；计算出在恶劣天气下可变更路程的范围；估计如在指定到达时间内到达目的地等紧急交通流的影响。
空中交通控制系统同样需要复杂的交通流管理（TFM）及对航班延误几率最小化、浪费燃油和不必要开支的战略控制。交通流管理是计划及调节日常预期中的对交通流产生制约的情况的过程。这些情况例如雷暴、通信中断或飞机需求超出机场供给能力。未来的交通流管理系统将会承认系统本身的不确定性，并利用概率技术解决问题。这些先进的技术将依赖于计算机科学在实时概率预率方面的支持以及在保持系统良好运转方面的改进建议。
联邦航空管理局的交通流管理现代化工程致力于改进基础设施，以支持空运需求的战略性计划和管理，确保顺利、有效的交通流。硬件的现代化在2004年底已经完成。现在的工作重点是构筑和建设应用软件来实现一个现代化的、符合标准的开放系统。我们要努力实现一个充满活力的、具有可行性的和符合标准的交通流，以增强系统的有效性、实用性能、安全性、扩大性、稳定性以及人机互动性。在联邦航空管理局和国家海洋大气管理局的研究报告中详细阐述了创新科学、技术和人机互动对于决策者决策发展新型天气产品的实验性应用。 p81
生物科学和医学
通过共享基础设施确认脑混乱
参与NIH组织的生物医学信息调研网（BIRN）的调查员们正在通力研究基础医学研究以或得更新的临床医学工具。BIRN是由15所大学、22个科研小组组成的国际协会，参与调试研究人类神经元混乱的人脑图像。科学家们正通过某大规模病人数据的分析来调查如何确认和使用病人大脑中结构不同点来帮助临床医学专家区分，例如Alzheimer疾病等诊断类型。此类调查可以帮助对严重脑混乱进行及时准确的诊断。
作为这个庞大项目的一员，约翰.霍普金斯大学图像科学中心(CIS)和BRIN的研究人员们共同合作完成一项天衣无缝的关于大脑结构形状数据的分析。集中计算解剖工具演示半自动的解剖结构形状数据分析。图像科学中心用大型变形规律制图工具（LDDMM）从以下三个方面来研究海马趾的信息。Alzheimer的语义痴呆和控制学科。在BIRN站点上利用高效结构磁学否认丢弃工具(MRI)扫描得知信息共涉及到了45个学科，信息装置被存取，然后调整，最后通过大型变形规律制图（LDDMM）进行处理。
大型变形规律制图（LDDMM）计算出了形状的精确描述，这些形状在计算解剖图像空间公制距离时是相似的或不同的。为大脑结构形状差异的直接比较和定量特性记录提供了可能。
要了解更多，请登陆：http://www.nbirn.net/ 和 http://cis.jhu.edu.
解码蜜蜂交流
生物学家一直在探索研究力求发现某些蜂种加强用抽象语言描述周遭事态能力的原因。研究人员依靠数字视频记录了蜜蜂之间的各种交流，发现一些蜜蜂能用声音将食物地点译成暗号传给其他伙伴。这种能力阻止了其他蜂种窃取信息的行为，同时也加快了作为反间谍技术的复杂蜜蜂语言的发展。运用这种语言技术，在外寻食的蜜蜂可以把食物信息传送给蜂巢中的伙伴。
使用数字视频需要存储和收集大量信息。科学家们每年对每一个蜂种记录1.2万亿自己的数字视频，而且研究者们希望将其增加到30万亿字节或更多。网络设施为广泛分布在墨西哥、巴西、巴拿马和圣地亚哥的合作实验室提供了高效的数据获取方式，使得科学家们可以对成千上万记录蜜蜂行为的视频构架进行分析。这项研究可能有助于解释为什么特定的一些蜂种可以经过复杂的进化适应而大量繁衍。 82页
构造蛋白动力
蛋白质的腺嘌呤核甘, 或 ATPase,是新陈代谢的动力, 产生 ATP ，是生命的基本能量和供给肌肉收缩的、神经信息的传输和许多其他的功能化学的能源. 化学的 1997 诺贝尔奖为他们的工作在集合一张 ATPase 的详细照片和它的操作方面辨认出了保罗男孩和约翰徒步者. 后来的研究已经增加到照片，但是许多挑战性的问题保持.
检验结合无在化学反应过程中分裂和重新组合的关键细节要使用量子理论. 伊利诺州大学德语个研究小组用了一个被称为 QM/MM的方法. (量子力学/分子的技巧), 这种方法使模拟组成ATP酶 活跃位之中的分子力学现象成为可能, 但是量子力学的运用却像变焦透镜一样有选择性的把重点放在\" 燃烧 \" 发生的地方——活性位置本身。这一个模型估计会在 12,000 小时耗尽.
在一些新的调查结果之中，模拟显示ATP酶 的一种含氨基酸似乎协调在生产ATP的蛋白质的三个活跃的位置之中的时间安排。 这含氨基的酸的用途就像个火花塞子操作,根据ATP 或反应产物是否是活跃的位置的情况来改变它自己的位置。这一个发现可能是研究蛋白质如何做它的重要工作的一个关键点,可能会促成将来的医学突破性的发展.
蛋白质动力学及其作用
计算方法通过数据分析和解释的方式被长期应用于扩大试验生物学的研究。然而，计算科学的真正的力量还在于，他在这个领域中通过双分子模拟开拓的新天地不是普通试验能够完成的。
二分子模仿开始造成冲击的一个区域是在生物学家对蛋白质功能的思考上。 从仔细研究的角度来看，蛋白质复合体被作为一个静态实体来观察，并且它的生物功能被认为是通过做成部分之间的直接的交互作用实现的。以计算模拟为基础，蛋白质被看作是一种非常有效分子结构并且活跃的作用于与它们相关的结构和功能中。这种看法的出现扩大了蛋白质工程学的潜在发展领域，并且改进了药物设计。
使用 biomolecular 模拟和先进的使看得见的技术, 酵素 cyclophilin 的一个蛋白质震动的网络一已经被识别. 这一个网络的发现以对微秒的在微微秒的蛋白质动力学的调查为基础-毫秒时间刻度. 这一个网络在蛋白质的功能中扮演一个重要的角色如酵素. Cychophilin 一参与许多生物学的反应, 包括蛋白
质的折叠和细胞内的蛋白质的 immunodeficiency 病毒 (爱滋病毒-1).
现在，研究员正在尝试发动将会更完全开发下一个- 世代超级计算机的力量更了解蛋白质的动力学的软件进步. 如此的进步为超级计算机能经过分子动力学的 parallelization 和最佳化被达成密码. 对生物学的社区 MD 密码的 Parallelization 是广泛兴趣. 藉由现在的计算资源, MD 仿制模拟大小的一些次序的生物学有关的时间刻度的秋天短. 某处需要而且模拟时间刻度的比是在 100000 和 1000000之间. 除此之外，今天的生物学的系统兴趣有数以百万计原子, 将会需要为时间的广大期数实质上较多的计算机力量. 为获取更多信息，可登陆http://nccs.gov/DOE/mics2004/Agarwal.VibrationsHighlight.doc.查询。
计算科学与卫生保健
一项重要的全国性的举措正在被采用来使国家的医疗保健基础设施计算机化。根据当前估计，现今医疗保健交付的费用的25%消耗在平装系统上，而正是这个系统提供医疗保健服务。此外，还有大量的事实表明，七分之一的住院医疗是由于重病患者信息未及时从上一个治疗者传给现在的治疗者。同样的， 也有证据表明，七分之一的诊断测试也是由于不能及时拿到上次的测试结果造成的，五分之一的医师命令未被正确地执行。
如上问题的解决方法在于电子健康记录，计算机化的预约和执行机制，计算机辅助的决策支持的全国性采用，所有都是为了安全和相互可操作的健康信息交换。我们可以预见计算机化的医疗保健记录和系统的全球性采用将会极大地提高卫生保健的效率。这些成果已在退伍军人管理局试行，现在退伍军人管理局在预算只增加33%的基础上已能比十年前多照顾一倍的患者。在2004年6月的报告《信息技术促进医疗保健革命》可以发现PITAC的发现和对在R&D中认识到用信息技术改进医疗保健的必要性的推荐。 为获取更多信息，可登陆http://www.nitrd.gov/pitac/reports/20040721_hit_report.pdf http://www.os.dhhs.gov/healthit/. 查询。
附录B
计算科学警告—一种很少被注意的信息
在过去二十年期间，美国科学协会发表了一定数量的报告、每篇报告都建议在潜在的技术和需要充分实现计算科学的好处的应用下做持续的和长期的投资。相反，短期投资和被限制的战略计划导致了一个在增加研究而不是长期的有效的研究上的过份的焦点。这些报告的建议和警告经常触发了短期反应。但他们的保证长期战略投资的建议却很少被注意，这也影响了美国的竞争性。
二十年的建议
这些报告中的每一篇都强调了计算科学充当在支持，激发和转变科学，工程学和商业管理方面的催化作用的角色。报告也强调了计算如何比以前更有可能解决更复杂，范围和尺度更广的问题，包括无法解决的国内重要的问题。报告总结到，美国计算科学领导层可以也应该能为创新，竞争能力和生活水平创造大范围持续的收益。
报告指出了一些要充分实现这些收益而必须克服的障碍。首先，他们说服联邦政府必须在与产业和学术界的合作上承担主要责任，通过持续的长期投资达到和保留在科学计算方面国际领导地位。其次，他们强调，计算科学现在有一个很广泛的组成部分，包括硬件、软件、网络、数据和数据库、媒件和元数据 、人力和组织，并且强调重大的发展在各个领域都是必须的。
报告也赞成，由于多学科的队伍和分布的和联合的趋势已经成为准则，因此组织和他们的支持机制需要改变。报告也强调必须实施创新，激励，奖励和认同机制把新的人才引入到刚刚出现的计算科学专业化的各个领域中来。
报告中有些主题反复出现，大致归纳为以下几项：
机遇 包括很多加紧科学研究，提高经济竞争力，保证国家安全的机遇。 承受力 在一定水平上适度减少长期的，稳定的计算机科学基金的重要性。 最前沿技术的发展能力 开展为科学研究服务的最前沿的计算机系统和网络技术的需求。
资料管理 作为为公共服务的含有丰富资料的档案馆的计算机环境的一部分的仪器和资料的出现。
教育 一个具有最新水平的计算机科学技术的，经过良好培训和教育的工作团队的重要性。
软件 为计算机科学研究服务的，操作简便，高效的软件和工具的需求。 研究投资 在计算机和计算机科学研究的连续性投资的需求。
计算机的基础建设 在国际计算机基础建设中，与连接器装置，计算机系统，资料档案馆，个体纷纷出现的机遇。
附件A
工作中计算科学的例子
计算科学使得整个社会科学和自然科学中的重大发现成为可能。例如，计算科学作为基础，为工程及生产中的设计最佳化服务，它为生物进程以及生物医药的理解提供工具。下文的小插图，豪无遗漏的说明了计算科学应用的宽度，国家将针对其已被发现的巨大潜能，提供更为广泛的支持。
在社会科学方面
计算科学对美国经济的监控
尽管计算科学对于大多数市民来说，是无形的。然而，他在美联储董事们商议和决策的时候，却扮演着一个每日必须参看的中心角色——美国联邦储备银行政策的制定离不开它。美联储对经济的发展有着潜在的影响，作为计算科学技术的早期使用者，30多年来，他们应用宏观经济建模对国内、国际的经济发展进行分析，对货币政策的调整对经济的可能影响进行估计。
随着宏观经济理论的发展，计算经济学中潜在的数学理论、计算系统的强大功能以及巨大的存储能力使得大规模历史数据的存储和使用成为可能。尽管也在不断改进中，美联储的第一代计算机模块最终过时。20世纪90年代中期，美联储研究员发明了一组新的计算机模块，此种计算机模块具有的强大功能是老式计算机模块无法比拟的。尤其是，其对经济活动未来发展态势的自动调整功能。这种新的计算机模块能够处理，包括美国联邦储备银行/美国和其他 11个国家和区域，总共250个行为方程式。其中，40个方程式描写美国的经济。此种新模块功能强大，研究者们可以利用它执行广泛的仿真模拟，以及对一大组变量提供结果估算。
以美联储为例，美联储的工作人员可以通过计算机的“如果发生了什么事该怎么办”的练习，来测量某些具体事例的可能结果。比如，财政政策、商业产出、资本花费、家庭收入、能源费用以及利率这样的变量，通过设定模块等式来代表可能的假设，研究员们可以通过仿真模拟来预测一段时间内变量间相互作用的结果，他们还可以用此来检验经济冲击的影响，例如，股市的突然下跌，通货膨胀的骤然加剧等等。同样，此模块也可预报货币政策调整后经济形势的可能变化。 一项研究以美联储为例：美联储研究员们在检验一项货币政策可能导致的问题时，通常在额定利率的基础上设定一个更低的界限零，他们更改货币政策，以保持在低利率的环境下经济的稳定。
国防部: 高性能计算机在国家安全方面的应用
直到20世纪90年代中期,国家对国家安全的重视带动了高性能计算机产业和它的发展.随着科学,学术领域等非国防领域对终端计算机的重视,同时面对来自国外的竞争者也纷纷前站市场份额企图成为技术行业的领头羊,政府和工业部门都开始注重以商品为依托的高性能计算机的发展和制造. 虽然这已经加强了国防部解决许多重大的国防安全问题的能力,但商业部还未重视到这项技术有着其他重要的应用领域.
国防部2002年的报告《用于国际社会安定的高性能计算机》勾勒出重建和维持一个建立在高端计算机基础上的有力工业基础的计划.其中包括计算机的应用研究,升级开发和工程及其雏形开发.这个计划还要求建立高端计算机实验室来检测精密大型平台上的系统软件;支持软件工具和计算程序开发;发展和升级数据基准模型和模拟用于系统建设的研究;以及进行详细的技术要求分析.
国力研究院:高速计算的前景
速度提高:高速计算的前景,一份2005年国力研究院的报告调查显示美国对高速计算的需求并向高性能计算机严法的联邦政府资助推荐了一项长期的策略.报告肯定了高速计算机对许多行业(例如,汽车,航天,医疗,配药等)经济竞争的杰出贡献,但是对科学和工程设计的其他领域的进程表示担心.这一调查研究是美国评估其现阶段和未来的高速计算能力的广泛的首创精神的一部分.这一评估的自于日本地球模拟器引言部分的鼓舞,这一模拟器处理数据的速度是美国现行的速度最快的高速计算的三倍.
报告中建议,与超级计算机研究与发展相关的投资决策不应该建立在美国是否拥有世界最快的超级电脑之上.相应的,政府应该制定一个长期的计划,并用之来确保美国在软硬件技术上的领航人的地位,同样也确保了其他国防科研所必不可少的科技.报告中总结,用作加强美国国防和国家安全的超级电脑的需求不能够满足当前政治和消费水平的要求.它号召联邦政府不仅要提供一个长期且稳定的基金,还要支持多种超级电脑软硬件公司,并在智能,核堆管理工作和气候变化这些领域给与科研工作者和政策制定者们更好的工具来解决问题. 国家健康研究所：《生物医学信息科技提案报告》
国家健康研究所发布的《生物医学信息科技提案报告》（以下称《报告》）中大量引用了20世纪后半期人类在计算机应用及其在生物医学界应用方面所取得的惊人的进步成果，同时《报告》也描述了计算机与生物医学的融合为国家健康研究所所带来的机遇和挑战。《报告》重点强调了生物科学的转变------从实验室科学到电脑科学，从单学科研究到跨学科研究，以及从以应用数码科技为重心到以研发计算机应用方法（这些方法改变了生物医学研究一直沿用的旧方法）为重心。
《报告》提议创建国家生物医学计算机应用尖端工程。这一工程将会指导生物医学计算机应用的全方位研究，并且在生物医学计算机应用的人员培养中起着举足轻重的作用。《报告》还呼吁在数据及信息存储与系统分析的工作原理基础上，在治疗及挽救的实践过程中，建立一项新工程。《报告》提出的建议还包括：为工作在生物医学计算机应用第一线，给国家计算机应用基础设施的稳定运行提供技术支持以维持一个计算机应用所必要的动态变化范围的技术人员提供足够的资源和奖励。鉴于这些有建树性的提议，国家健康研究所所长，爱利思.泽胡尼召开了一系列会议为21世纪医学研究进行指导。
中介机构：高端计算机应用振兴任务的推动力
2004年《高端计算机应用振兴任务的影响力报告》------《联邦高端计算机应用计划》------为高端计算机应用计划提出三个要素：（1）一项高端核心技术的中介代理研发规划；（2）一个改进高端计算机技术性能和易用性的联邦计划；（3）有关在联邦范围内应用高端计算机系统的建议。在美国国防部，能源部以及国家科学基金会进行的独立考察与筹划的基础上，报告指出，要想在全国范围内应用高端计算机技术，基于商业货架构件之上来追求高端计算机性能的战略是不够有力的。
报告提议：（1）进行协调持续进行的研究开发检测评估程序。这个项目需要10到15年的时间，其中包含对软件，硬件，及系统的详细的路线图。此项目将有助于消除一直以来限制应用高端计算机的应用的障碍。（2）提议在整个联邦范围内应用高端计算机技术，包括生产过程与主导系统，以此来为优先发展的研究
提供尖端的性能，并用来引导下一代生产系统。（3）提议通过基准程序测试，整体拥有成本法以及通过中介代理共享技术应用的措施，提高国家应用技术进程的效率。《高端计算机应用振兴任务的影响力报告》提出，中介代理将会在一个更加广泛的范围中投资，包括网络运做，软件应用开发，计算机科学教育，计算机综合存储系统以及可视化。代理投资要求必须达到足以能够支持高端计算机技术在国防，国家安全和科学研究等领域发挥有效作用的水平。
国家科学基金会：国家基础设施计算机化 国家科学基金会在《对于国家基础设施计算机化的自然科学和工程学革命》的报告中指出，今日的计算机，信息和通讯技术正在使国家基础设施计算机化的全方位发展成为可能，它所支持的新纪元研究的复杂性、范围以及等级是从前所无法想象的。2003年报告强烈要求基金会建立和引导一个大范围的、交互性机构以及国际间协调的高级基础设施计算机化方案，以创设、开展和应用这种设施，从根本上推动所有科学性研究和工程研究以及与之密切相关的教育事业。
此次报告提出一项大型，长期和彼此协调的尝试，不仅仅是现有的投资水平和资源的直线扩展。报告同时希望，针对自然科学和工程学专业知识的教育以及更为广泛的人员培训能够投入进来，同时配以相应的技术设备，这些设备要包含计算机科学，诸如数学和计算机模型、数字方法、可视化以及关于在新的网络系统或协作组织中工作的社会技术协议。
国家科学院：信息技术优化
2000年国家科学院的报告《信息技术优化》指出，美国以及世界上许多国家，正在经历信息技术的巨大变革。在计算机与网络技术水平不断升级的推动下，信息技术已经由大型团体幕后操作的实验室传播到世界各处。其指示几乎随处可见：电脑和通讯工具已经进入了大众市场。因特网语言已经成为商业和流行术语中的一部分。
报告注意到，研发过程中前半阶段，也就是揭示根本原则、基础知识以及关键概念的研究，它的关键作用经常被忽视，而这些原则、知识和概念支持、促进着众多的产品、处理方法和服务的发展。研究使信息技术的创新成为可能，比如图形用户界面和因特网本身，而且，它还将继续使将来能够出现能力更强的系统，虽然这些系统的形式还需要确定。特别是，当它在校园环境中开展时，它还可以作为一项重要的教育工具，帮助建立一支更广泛的并且更有知识的信息技术劳动力。
报告推断出：信息技术以及它所日益加强的社会的将来依赖对研究的持续投资。基于量子物理、分子化学和生物处理的新技术已正被研究，以替代或补充那些起基本的计算作用的硅基芯片。为了在这些领域能有所进步，为了确保信息技术系统能可靠的运行以满足社会需要、增强使用者能力，还需要做相当多的研究。
国家研究机构：置入式的基础设施
2001年国家研究机构报告《遍置各处》发现：信息产业正处在另一场科技革命的边缘。以日益增长的计算能力和逐步下降的通信设备成本为动力，信息产业正被更广泛地应用与网络相连的设备上，并且随着相关技术部件变得越来越小、速度越来越快，价格越来越便宜，信息产业还会更加具有说服力。这些变化有时是明显的，如在传呼机和网络电话上；但通常信息产业在以一种终端用户的不易发觉的方式被淹没在更大或更小的系统中。这些有计算机置入的网络系统具有通过连接一系列以不确定方式收集、共享、和处理信息的设备和传感器来改变人与环境相互作用方式的潜力。
随着科学研究的深入和发展，应用的范围和领域还会持续扩大，这样的例子包括从环境监测到战地空间监管一系列的仪表化过程。有信息产业置入的网络将被应用于相关国防或民间个人的把从个人表面或内部传感器上的信息和从实验室及其他渠道得来的信息连接后的监测战略上。这些网络将极大地影响科学信息的收集能力，范围包括从为精致农业和生物技术研究服务的新技术到环境与污染的细致化监测。
但是，根据报告，许多重要的问题仍需回答：国家研究的建立能否在未来信息技术系统方面有所进展？那些正确的研究是否正被开展？是否有足够的资金以满足必要的研究？现存的资助和引导研究的体系是否适应信息技术研究人员所必然提出的挑战？
国家科学基础：数字图书馆
美国国家科学基金研讨会2003年在匹兹堡大学发表了报告《知识就是信息》，他们发现数字图书馆正在不同程度上转变着研究、学术、教育的各个方面。大量的信息被收集、组织并储存在网上，以便每个人可以方便的获取。学术效率上本质性的改变已是显而易见的了。数字资源已经证明了潜在的学术效率优势，近十年将主要体现在加倍众多领域的研究成果上。这些资源将会成为最初的教育资源，在人们寻求已久的终身学习优势中有巨大的潜力。这份报告具体说明了联邦投资的本质要求进步的不断支持。
数字图书馆工程需要国际伙伴的支持，有许多美国、英国、德国的工程还有广泛的国际工程包括欧盟和许多亚洲国家。而且这种信息创造和检验了许多超出课本知识的内容，比如：观察化石和海豚鳍图像以及楔形文字墓碑，视频观看人
的运动，渐渐使更多领域中的尖端复杂分析成为可能。包括：考古学、古生物学、生理学。这些探究工程正暴露在调查之中。
遗产报告和相关意义
2005年国家学术研讨会《速度正在加快》：《超级计算机的前景》中关于计算机科学和高端计算的重要性的评估的结论是令人信服的。在1982年，《关于科学和工程中大规模计算的专家报告》中有四点建议：1加强科学技术研究团体以通过高宽带网络调节计算机的超级计算的设施。2提高对计算机制软件和算法的研究使超级计算机系统的使用高速高效。3培训进行科学计算人员4对研究和发展投资是设计和研发拥有可大规模提高能力和效能的（92页结束93页开始）超级计算系统的基础另外一方面基础从单独的计算机咨询中获取。
从台式到浮点运算，开发美国在计算机高性能的领先地位的布兰斯克母报告在一份1993年的后续报告中称赞了在国家科学基金会投资的大幅度增加，包括：通过计算机和计算机科学研究在高性能计算取得的不断进步。
1995年国家科学基金会组织了一股专门的科技力量来针对其超级计算机中心计划的复查和管理提建议。这篇《特遣分队关于国家科学基金会超级计算中心计划未来的报告》的主要发现就是由国家科学基金会投资的超级计算机中心已经能够在计算机科学、工程方面做重要的研究，并且改变了以往计算机科学和工程学促进在跨领域方面基础研究的进步的方式。对与特遣分队的称赞目的是为了继续保持科学计算机中心计划的长足发展和进步。
对总统信息技术顾问委员会的命令 科技政策校长办公室执行机构 华盛顿 12 .2005 6月9日 ，2004
Marc R.Benioff 先生
Salesfore.com执行主席及CEO 员工：300人
亲爱的Benioff 先生，
请允许我再次对您任校长信息技术顾问委员会期间所作的工作以及您在2004年4月13日举行的PITAC会议上的出色的领导才能表示衷心的感谢和由衷的钦佩。我写这封信是向您表达我对PITAC有关计算科学问题的计划的一些看法和期望，我衷心的希望贵委员会可以介入到此事中来。
随着与众多联办机构的任务有关的应用的与日俱增，作为实验和理论的补充的计算科学也越来越发挥其重要的作用。联邦政府已经对许多计算科学的发展项目进行了投资，而政府本身也成了计算科学应用的最大受益者。正因为如此，PITAC才会把联邦政府作为一个最适合的实验地点来考虑。因此我希望PITAC可以在网络运行以及信息研究与开发的计划，以及其他相关的联邦投资的研究的报告中考虑以下问题：
1） 联邦政府如何有效的针对合适的研究领域，支援和加强计算科学的价值，目
前代理机构内优先权是否恰到好处？
2） 联邦基金会在计算科学的领域如何适度的保持短期低风险研究和长期高风
险研究之间的平衡？
3） 现任联邦基金会如何恰当协调计算科学基础技术的基本进展和计算科学在
科学和工程产业中的应用之间的联系？那一领域最有希望在科学研究和调查方面取得突破性进展？
4） 怎样紧紧依靠计算规律培训，研究和科学规律的结合起来提高科学发展的成
果？计算科学，数学科学，化学物理科学中研究和训练应怎样发挥最大的作用，以保证计算科学方法和工具的有效利用？
5） 为了保持平衡而综合性的研究及培训部长对计算科学及应用支持进行协调，
联邦机构的这种协调是多么有效呀！
6） 费德勒在计算科学方面的投资成功的赶上了潜在的20年环境和研究知道方
式的变化。这些变化的例子可能包括计算机构造的变化，分配计算的出现，数据与模拟间的连接，转移进入实验设备。
7） 是什么阻碍人们认识计算科学的巨大潜力，怎样消除和尽量减少这些阻碍？
根据PITAC的发现，我要求PITAC呈出任何一种你们认为可行的建议，这个建议可以帮助我们加强NITRD计划或有助于费德勒政府的其他计算科学研究项目。执行这个任务我要求你们考虑费德勒政府相对于那些其他的工作或个体在计算科学领域所扮演的适当角色。
我要求PITAC于2005年2月1日发布对此任务的答复。
附录D
小组委员会寻求事实进程
计算科学小组委员会学习和商讨了大量的相关报告和商业性出版物，还举行了一系列的会议。这些会议邀请了联邦政府的领导和学术界的专家们来提供信息和观点。
举行过的会议如下：
·2004年6月17日，PITAC会议
·2004年9月16日，计算科学小组委员会会议 ·2004年10月19日，计算科学小组委员会会议
·2005年11月10日，在2005超级计算会议的计算科学小组委员会Birds of a Feather（不会翻，好像是地名）城镇大厅会议 ·2005年1月12日，PITAC会议 ·2005年5月11日，PITAC会议
2004年6月17日，PITAC会议(弗吉尼亚州，阿林顿) 正式演讲者如下：
·国家健康学院，国家一般内科学院，生物信息学和计算生物学中心理事，埃里克·杰克比森(Eric Jakobsson)博士
·能量部，科学办公室，用高级计算方法科学发现的主任，麦克尔·斯特朗亚(Michael Strayer)博士
·国家科学基金会理事，阿尔丁·L·小伯明顿(Arden L.Bement,Jr.)博士 ·赖斯大学计算科学系，约翰和安妮杜尔大学教授，肯·肯尼迪(Ken Kennedy)博士
观看或收听这些演讲或阅读会议记录，请访问：
http://www.nitrd.gov/pitac/meetings/2004/index.html. 2004年9月16日 小组委员会会议（伊利诺斯州，芝加哥） 以下专家发表了正式演讲：
·工业和应用数学学会执行理事，詹姆斯·克劳雷(James Clowley)博士 ·南加州大学，信息科学学院计算科学系主任，罗伯特·卢卡斯(Robert Lucas)博士
·劳伦斯伯克利国家实验室，应用数值算法小组组长，菲利普·克莱拉(Phillip Colella)博士
______________________________________96_______________________________________ ·路易斯安那州州立大学，计算与技术中心主任，爱德华·塞戴尔(Edward Seidel)博士 ·斯坦福大学，计算与数学工程学院及机械工程系教授，沙贝尔·法海特(Chrabel
Farhat)博士
·俄克拉荷马州大学，风暴分析预报中心主任；地球科学学院气象学系董事及教
授，凯尔文·卓格米尔(Kelvin Droegemeier)博士
·芝加哥大学，放射线学教授，麦克尔·万尼尔(Michael Vannier)博士
·芝加哥大学，外科助理教授，国际美容外科医学会，乔纳森·C· 希佛斯坦(Jonathan C. S ilverstein)医学硕士，博士
·礼来研究实验室，信息官员，约翰·林德斯(John Reynders)博士
·伊利诺斯州大学-香槟分校，国家超级计算应用中心，人类与社会科学联系主
任，沃农·伯顿(Vernon Burton)博士
·密歇根大学，信息学院教授；社区技术联盟执行主任，丹尼尔·E·阿特金(Daniel E. Atkins)博士
·田纳西大学，创新计算实验室及计算科学系讲座教授，杰克·多格拉(Jack Dongarra)博士
2004年10月19日 小组委员会会议（弗吉尼亚州，阿林顿） 以下专家发表了正式演讲：
·橡树岭国家试验室主任，阿尔文·W·瑞沃尔皮斯(Alvin W. Trivelpiece)
博士（已退休）
·国防部国防部副部长帮办（科技）信息系统主任，安卓·万·提尔伯格(André
van Tilborg)博士
·国家航空航天局高级超级计算部部长，沃尔特·布鲁克斯(Walt Brooks)博士 ·国家大气研究中心主任，蒂莫西·L·切尔森(Timothy L. Killcen)博士 ·犹他州大学，科学计算与成像学院院长，克里斯·R·约翰森(Chris R. Johnson)
博士
·科学与技术政策办公室，资深政策分析员， 麦克尔·J·赫兰（Michael J.
Holland）博士
2004年11月4日PITAC会议（弗吉尼亚州，阿林顿）
本次会议是通过网络及电话举行的远程会议。会上，小组委员会委员 查尔·丹尼尔·A.·里德先生(Chair Daniel A. Reed)就小组委员们的最新活动发表了演讲。PITAC成员们就这些活动进行了探讨，并向公众征求了意见。里德博士的讲演稿可于如下网址查阅：
http://www.nitrd.gov/pitac/meetings/2004/20041104/agenda.html
____________________________________97_________________________________________
2004年11月10日小组委员会会议（宾夕法尼亚州，匹兹堡）
小组委员会与SC2004会议期间举行了Birds of a Feather(BOF)Town Hall会议。作为广泛向公征集意见及建议的一部份，本次会议的目的主要在于从SC2004协会成员中征取意见和建议。小组委员会委员查尔·里德发表了讲话，并就个别领域/地区的利益提出了一系列的问题。查尔·里德先生的讲演稿及提出的问题列表可于以下网址查阅：
http://www.nitrd.gov/pitac/meetings/2004/20041110/reed.pdf 及
http://www.nitrd.gov/pitac/meetings/2004/20041110/bof_pitac.pdf
2005年1月12日PITAC会议（弗吉尼亚州，阿林顿）
本次会议上，查尔·里德给出了小组委员会的最新动态，另两位学者就教育规划（？？）中的计算科学的发表了正式演讲，这两位学者分别是：
·琳达·皮策德(Linda Petzold)，加利福尼亚大学(圣巴巴拉分校),博士，计算机科学系教授兼主席；机械及环境工程系教授；计算科学及工程计划负责人 ·J.·缇斯勒·奥德(J. Tinsley Oden)，德克萨斯大学,博士，研究副总管，
计算工程及科学负责人，Cockrell Family Regents协会中的工程学主讲师
PITAC成员们讨论小组委员会委员们提出的成果初稿及建议。里德主席本次会议的讲演稿可到如下网址查阅：
http://www.nitrd.gov/pitac/meetings/2005/20050112/agenda.html
2005年4月14日，PITAC会议（华盛顿）
计算科学小组委员会主席里德上交了草案报告书及PITAC的讨论意见和公众提议相关内容。PITAC批准了报告书中的决定及建议，并且组织小组委员会参照PITAC成员及公众的意见进行草案文本的修改。查看相关演讲稿内容，请点击：
http://www.itrd.gov/pitac/meetings/2005/20050414/agenda.html. 2005年5月11日，PITAC会议（弗吉尼亚州，阿林顿） 在通过网络与电话举行的远程会议上，计算科学小组委员会主席里德简要论述了小组委员会对报告书内容的相关修改，并在4月14日的会议上特别强调了在结合各方意见的基础上对其中几个部分的重新修订。
______________________________________98_______________________________________
在讨论期间，PITAC成员肯定了修改内容大幅度的改进了报告书的总体质量。此项报告在投票中被一致通过。 代理信息
为满足PITAC的需求，数家代理机构向其提供了他们计算科学R&D投资的书面信息. 几个代理机构的高级官员向小组委员会做了相关演讲,并各自向其展示了计算科学方面相关代理机构政策和实践的深入看法.
_____________________________________99________________________________________ 附录E
首字母缩写词
ACE: 基于代理人的计算经济学 ACP: 高级网络设施程序 AMR：适合性网孔精确
ARPA: (美国国防部)高级研究计划署
ARPANet: ARPA 计算机网 （美国国防部高级研究计划局建立的计算机网。这个国际网允许其成员使用其设备并对大批不同的计算机存取数据） ASCI：（能源部&国家安全部）计算机主动性战略升级 ATLAS：螺线管装置
ATP: 三磷酸腺甙, 腺三磷(生化药物) BIRN：生化信息学研究网
BISTI：生化信息科技主动性 BOF：一丘之貉
BSD: 加州大学柏克利分校软件 CCD: 电荷耦合装置
CHARMM：哈佛分子力学化学部 CIS：成像科学中心 CMS：小型介子螺线管 COTS：现货供应贸易 CRA：计算研究协会 CSE：计算科学和工程
DARPA：国防高级研究计划署 DNA: 脱氧核糖核酸 DoD: 国防部
DOE:（美国）能源部
ETF：可扩展的万亿级设施 FAA: 联邦航空局
FACA：联邦咨询委员会法案 FARSITE：火警区域模拟器
FLASH：解决关于天体爆炸的核天体物理学问题的艺术级模拟器编码 FMRI：功能性磁共振成像
FORTRAN: FORTRAN语言, 公式翻译程序语言 FRB: 美国联邦储备银行
_____________________________________100_______________________________________
GeV 十亿电子伏特 GUP 每秒十亿次更新
HECRTF高端计算振兴任务组 HIV/AIDS艾滋病病毒（人体免疫缺损病毒） / 艾滋病（后天性免役不全症候群） HPC 高性能计算
HPCC 高性能计算交流
HPCS 美国高级研究计划局(DARPA)高生产率计算系统 HPF 高性能FORTRAN语言 HTSC 高温超导体 HUMINT 人工情报
ICPSR（美国密西根大学）校际政治及社会研究联合会 ILLIAC IV 使用超大规模集成电路的第四代计算机
IPA 政府间人员法案
IPAC 红外线处理与分析中心
ISCAR信息存储、修复、分析及检索 IT 信息技术
ITER 国际热核实验反应堆 ITRS 国际半导体技术发展指南 IT R&D 信息技术研发 IVOA 国际虚拟天文台联盟 I/O 输入/输出
LANL 洛斯·阿拉莫斯国家实验室 LAPACK 线性代数软件包
IDDMM 大型变形微分同胚映射 LHC 大型强子碰撞型加速装置 LINPACK 线性代数软件包 LSST大口径全天巡视望远镜 MD 分子动力学 MEMS微型机电系统 MPI 消息传递接口
MPICH 美国阿岗(Argonne)国家实验室 基于网络系统MPI的操作
_________________________________101_________________________________ MREFC主要研究设备和设施建设 MRI磁共振成像
NASA国家航空航天局
NCBI国立生物技术信息中心 NCO国家协调办公室
NCSA国家超级计算机应用中心 NERSC国家能源研究科学计算中心 NIH美国健康研究院
NIMROD非理想旋转公开讨论磁流体动力学 NITRD网络和信息技术研发计划 NMI国家中间设备
NOAA国家海洋及大气管理局
NRC国家研究委员会
NREL国家可更新能源实验室 NSA国家安全局
NSB美国国家自然科学基金会 NSI国家自然科学基金委员会 NSTC国家科技委员会 NVO国家虚拟天文台 OMB管理与预算办公室
OSCAR开放性资源聚集应用能源 OSTP科技政策办公室
PCAST美国总统科技委员会
PITAC美国总统信息技术顾问委员会 PSC匹兹堡高速计算中心 QCD量子色动力学.
QM/MM量子力学与分子力学 R&D研究与发展 ROCKS
S&E科学与工程
SARS严重急性呼吸道症候群
三处红字部分表示不确定和不知道
______________________________________102______________________________________ SCaLeS
基于科学的大规模模拟案件 SciDAC
通过先进计算得出科学发现 SDSC
圣迭戈巨型计算机中心 SEMATECH
半导体制造业技术 SGI
合成硅元素绘图法 SIAM
工业和应用数学协会 SIGINT 通信情报 TCO
所有权的费用合计 TFM
运输流量管理 TFM-M
运输流量管理现代化程序 TSI
主动超新星Tem 标度 UC
加利福尼亚大学 UNICOS
澳新计算机UNIX 操作系统 VORPAL
并行,对象导向型的混合物(流体和单元粒子)电磁场建模系统代码, 荷电粒子和或惰性气体 VTR
形象化工具套件 XML
XXXX（对不起，实在是看不清了） Markup Language
__________________________________103_________________________________________ 致谢
美国总统信息技术咨询委员会各位主席十分感谢该委员会小组委员会各成员所做出的贡献。更值得一提的是小组委员会主席丹尼尔·A·里德，他有力的领导和付出对此篇报告的形成有着至关重要的作用。里德博士为这篇报告确立了理论框架并起草了正文的重要部分。顾问杰克·冬格拉和克里斯·R·约翰逊也做出了宝贵的贡献，美国总统信息技术咨询委员会也对他们表示衷心感谢。
美国总统信息技术咨询委员会在资料搜集过程中也得到了许多个人和组织的慷慨相助，为这份报告提供了各种资料。很多专家也向美国总统信息技术咨询委员会和小组委员会做了演讲（收录在附录D中）。联邦研究与发展机构也积极
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