科研信息化的產(chǎn)生

人類社會的不斷進步對科學(xué)研究提出了越來越高的要求。今天，科學(xué)研究的前沿正在從微觀和宏觀兩個方向上向著未知的領(lǐng)域大踏步地前進，已經(jīng)前進到一個更加復(fù)雜深奧的世界，對科研方法和手段也提出了新的挑戰(zhàn)。科學(xué)研究的對象也大大超越了簡單的孤立系統(tǒng)，而向著大范圍、多領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程進軍。例如，航天工程、全球氣候、生態(tài)環(huán)境問題等等。顯然，現(xiàn)代科學(xué)研究的對象已經(jīng)變得越來越復(fù)雜，這無疑是一個挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的科研方式由于其具有較大的封閉性，導(dǎo)致不同地區(qū)的科研機構(gòu)和人員間交流不足，導(dǎo)致重復(fù)勞動，這造成了科研資源的巨大浪費。而今，科研的方法和環(huán)境在不斷變化。在這個信息爆炸的時代，科研活動之間的交流、科研信息的獲取和處理，都在發(fā)生著許多新的情況和新的問題。因此，最大限度地滿足科研機構(gòu)和人員之間交流與協(xié)作的需要，有效共享浩如煙海的信息，是現(xiàn)代信息通信技術(shù)給傳統(tǒng)科研帶來的巨大變革。

從國際上來看，國外對科研信息化的普遍叫法是e-Science，提出這一概念的英國科技部主任John Taylor給出了這樣的定義：“e-Science是指在重要的科學(xué)領(lǐng)域中的全球性合作，以及使這種合作成為可能的下一代基礎(chǔ)設(shè)施。”其中一個核心的要素就是資源共享，跨地合作，這也被認為是發(fā)達國家科研信息化之所以成效顯著的關(guān)鍵所在。

從我國傳統(tǒng)科研活動的進行情況來看，科研手段受到很多局限，特別是缺乏模擬、仿真的能力。因此，傳統(tǒng)的科研活動中常常存在周期長、成本高的現(xiàn)象，甚至許多實驗是根本不可能做的，這些都曾造成“無米之炊”的困境。而計算技術(shù)的出現(xiàn)及飛速發(fā)展則大大改變了這一切，使得全球性的、跨學(xué)科的、大規(guī)模科研合作，跨越時間、空間、物理障礙的資源共享與協(xié)同工作成為可能，這將改變科學(xué)家從事科研活動的方法和模式，極大地促進交流合作，推動科學(xué)研究的發(fā)展。科研信息化已經(jīng)成為整個社會信息化的前衛(wèi)，是下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息基礎(chǔ)設(shè)施在科研領(lǐng)域的率先應(yīng)用。

科研信息化的內(nèi)涵

e-Science的實質(zhì)就是“科學(xué)研究的信息化”，是信息時代中科學(xué)研究環(huán)境和科學(xué)研究活動的典型體現(xiàn)。它不僅包括采用最新的信息技術(shù)，如Grid等，建設(shè)起來的新一代的信息基礎(chǔ)設(shè)施，更有在這種基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)支撐技術(shù)構(gòu)成的平臺上開發(fā)的科學(xué)研究的應(yīng)用，以及科學(xué)家們在這樣一個前所未有的環(huán)境中進行的科學(xué)研究活動。e-Science的實現(xiàn)將為科學(xué)家們提供一個信息化的科學(xué)研究環(huán)境，改變他們從事科學(xué)研究活動的方法和手段，甚至直接影響到一些學(xué)科的發(fā)展。

科研信息化的意義

既然e-Science的實質(zhì)可以看作就是科學(xué)研究的信息化，那么這與整個社會的信息化也是密切相關(guān)的。從國民經(jīng)濟信息化到企業(yè)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義已經(jīng)被討論了很多，也得到廣泛的認識。而科研信息化在整個社會的信息化進程中其實扮演了特殊的重要角色。從Internet的發(fā)展歷史中可以看出，新技術(shù)最先在科研領(lǐng)域得到應(yīng)用，然后是逐步地商業(yè)化，并擴展到全社會。當前，在下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及其他未來信息技術(shù)的研究中，e-Science正代表了這樣一種方向，e-Science正是下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施在科研領(lǐng)域的率先應(yīng)用。所以說，科學(xué)研究的信息化是超前于整個社會的信息化，做好e-Science的工作，一方面能夠大大提升科學(xué)研究的方法、手段和水平，另一方面也為整個社會的信息化探索道路。總之，在整個信息化浪潮的大背景下，e-Science科學(xué)研究的信息化具有特殊的重要意義[1]。　e-Science給科學(xué)研究活動所帶來的變化是前所未有的、革命性的，其可能產(chǎn)生的深遠影響也是絕對不容忽視的。最重要的一點就是e-Science使得一種嶄新的從事科研活動的方法和模式成為可能，這包括全球性的、跨學(xué)科的、大規(guī)模科研合作，跨越時間、空間、物理障礙的資源共享與協(xié)同工作，等等。可以預(yù)見，如果e-Science能夠?qū)崿F(xiàn)，那么對于科研信息在整個科學(xué)界的充分共享，縮小科學(xué)研究領(lǐng)域的數(shù)字鴻溝，加速發(fā)展中國家的科技進步，以及人類科學(xué)研究的更快發(fā)展，將具有劃時代的意義。而且，也可以看出，e-Science對于發(fā)展中國家的跨越式發(fā)展具有特別的意義。

科研信息化發(fā)展態(tài)勢綜述

隨著現(xiàn)代科學(xué)從微觀和宏觀兩個層面向縱深發(fā)展，變得空前復(fù)雜化，通信和計算機技術(shù)已成為目前科學(xué)研究活動的必備手段，同時科研信息和科研設(shè)備的共享，以及全世界科研人員間跨領(lǐng)域跨地域的合作也變得前所未有的重要，在此形勢下科研信息化應(yīng)運而生。

科研信息化最早得名于英國的e-Science計劃，是指建立在新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)格基礎(chǔ)上的全新科學(xué)研究模式。中國科學(xué)院副院長江綿恒指出，科研信息化的實質(zhì)就是“科學(xué)研究的信息化”，包括兩個基本方面：一是信息化的基礎(chǔ)設(shè)施，比如英國、歐盟的e-infrastructure和美國的cyberinfrastructure建設(shè)；另一是信息化的科研活動。所謂科研信息化就是在信息化基礎(chǔ)設(shè)施支持下的科研活動。目前，許多國家都部署了國家層面推進科研信息化的計劃。

2001年英國政府投入1.2億英鎊啟動e-Science計劃，由英國科技辦公室負責(zé)統(tǒng)一管理，英國研究理事會總會負責(zé)協(xié)調(diào)，整體上分為e-Science核心計劃與各個研究理事會的e-Science計劃兩大部分。目前英國的e-Science計劃已經(jīng)進入第三階段的發(fā)展，重點是科研信息化基礎(chǔ)設(shè)施（e-infrastructure）建設(shè)。美國自2002年以后，逐步形成了對建設(shè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施（Cyberinfrastructure）的認識。美國Cyberinfrastructure建設(shè)的運行管理由NSF下屬的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施辦公室全權(quán)負責(zé)，其已資助開展多個基礎(chǔ)學(xué)科項目和技術(shù)項目，其中2001年啟動的TeraGrid已成為世界上最大、最全面、用于開放科學(xué)研究的分布式網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。歐盟的科研信息化建設(shè)大體可分為三個階段，分別以歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格（EDG）、科研信息化網(wǎng)格（EGEE）和歐洲網(wǎng)格計劃（EGI）三個網(wǎng)格項目為代表。EGEE現(xiàn)已成為世界最大的多科學(xué)網(wǎng)格，歐盟今后將支持歐洲e-Science網(wǎng)格向新的互操作、可持續(xù)模式轉(zhuǎn)型，開展歐洲網(wǎng)格計劃（EGI），建立泛歐網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施。其他國家和地區(qū)也相當重視科研信息化的發(fā)展，澳大利亞最近啟動了超級科學(xué)行動計劃，日本繼續(xù)推進NAREGI國家網(wǎng)格項目的建設(shè)，韓國啟動了國家e-Science計劃，德國、荷蘭、意大利、法國也紛紛啟動網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，北歐、東南歐、波羅的海地區(qū)陸續(xù)啟動網(wǎng)格計劃，并逐步實現(xiàn)與EGEE的融合，此外，在EGEE的支持下，面向歐洲和拉丁美洲的e-Science網(wǎng)格設(shè)施EELA也得到長足發(fā)展。

根據(jù)當前世界各國科研信息化的發(fā)展狀況，信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的熱點和趨勢集中于五大緊密聯(lián)系的領(lǐng)域。

（1）寬帶網(wǎng)絡(luò)尤其是科研教育專用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，是一切基于網(wǎng)絡(luò)的科研信息化活動的基礎(chǔ)，當前世界各國都在競相展開高端科研教育網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。目前，全球大規(guī)模學(xué)術(shù)網(wǎng)基本可分為三大主體：歐盟的GéANT、北美的Internet2和亞太地區(qū)的APAN。此外還有其他一些跨國跨洲的大型科研網(wǎng)絡(luò)，如連接中美俄的GLORIAD、連接歐洲和拉丁美洲的ALICE、連接中國和歐洲的ORIENT等。

GéANT計劃之前主要注重創(chuàng)建高容量的網(wǎng)絡(luò)，已于2009年初完成。從2009年4月開始GéANT計劃進入第3階段GéANT3，將延續(xù)4年。GéANT3計劃更強調(diào)開發(fā)與提供工具和服務(wù)，為科研教育團體提供最佳性能的GéANT網(wǎng)絡(luò)和世界一流的可靠服務(wù)。GéANT3計劃意欲將用戶群拓展到新的學(xué)科、項目和機構(gòu)，聯(lián)系起生命科學(xué)、空間計劃（ESA）、對地觀測、氣候研究、氣象學(xué)、聚變研究（ITER）、高性能數(shù)字計算（PRACE）和其他新興項目，在更廣泛學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)成為歐洲信息化基礎(chǔ)設(shè)施（e-Infrastructure）的可靠服務(wù)組成。GéANT未來面臨的挑戰(zhàn)是要能支持exascale（即每秒進行1018次運算）運算，改善網(wǎng)絡(luò)使用的便利性以增進全球合作，整合最新技術(shù)以支持未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計。

從上世紀90年代中葉起，美國就陸續(xù)提出下一代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的三大計劃：美國政府的下一代互聯(lián)網(wǎng)（Next-Generation Internet，NGI）計劃、美國國家科學(xué)基金會（NSF）的超高帶寬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Very High Speed Backbone Network Service，VBNS）計劃和Internet2計劃。其中VBNS和Internet2與科研信息化緊密相關(guān)。Internet2主要目標是：建設(shè)高性能的邊緣網(wǎng)絡(luò)，為科研提供基礎(chǔ)設(shè)施；開發(fā)具有革命性的互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)；促進新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)上推廣。Internet2主要致力于各種類型的合作。Internet2連接著超過200家大學(xué)與研究機構(gòu)，主要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目包括Abilene、GigaPoPs和FiberCo等。Internet2進行了核心中間件的開發(fā)，如shibboleth項目；參與某些中間件整合計劃，如MedMid（MedicalMiddleware，醫(yī)學(xué)中間件）和VidMid（視頻中間件）等。Internet2的最新進展是通過光纖將網(wǎng)內(nèi)傳輸速率提高到100Gb/s。

亞太地區(qū)先進網(wǎng)絡(luò)APAN的各主要組成網(wǎng)絡(luò)如澳大利亞的AARNet、日本的SINET3、中國的CERNET在傳輸速度、覆蓋范圍等各方面均取得了長足的進步。

（2）科學(xué)數(shù)據(jù)中心建設(shè)和數(shù)據(jù)存儲、分析、管理等服務(wù)的提供能力迅速發(fā)展，已經(jīng)從支撐科技活動的基礎(chǔ)資源演變?yōu)橹螄铱萍紕?chuàng)新發(fā)展的重要資產(chǎn)和戰(zhàn)略資源。如近年國際啟動了一大批有代表性的數(shù)據(jù)中心建設(shè)計劃，如美國的DateNET計劃、英國數(shù)字典藏中心DCC、澳大利亞的科研信息共享計劃（ARDC）、英國合格晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目（CCDC）等，在自動化技術(shù)、存儲管理技術(shù)、高可用性/災(zāi)難恢復(fù)、虛擬化等方面取得了進展。

（3）超級計算與高性能計算服務(wù)獲得高度重視。高性能計算的能力不斷提高，以美國NSF資助的Track 1和Track2、美國能源部的ASC計劃、美國國防部的“先進高性能計算計劃”（UHPC）、歐盟的DEISA等計劃的推進極大地推動了超級計算的發(fā)展。該方向的發(fā)展態(tài)勢顯示利用多核/眾核CPU組建大規(guī)模集群系統(tǒng)、并行計算不可獲缺、GPU與CPU的競爭加劇、綠色IT與能耗問題漸受重視、云計算方興未艾。

（4）虛擬科研組織和虛擬科研環(huán)境建設(shè)不斷加強。美國NSF推動的社會技術(shù)系統(tǒng)虛擬組織計劃（VOSS）、英國的虛擬科研環(huán)境計劃（VRE）、GOLD計劃、歐盟D4Science和D4Science-II項目等使虛擬科研環(huán)境的建設(shè)不斷邁上新臺階。

（5）網(wǎng)格建設(shè)及相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展。網(wǎng)格標準漸趨統(tǒng)一，Web服務(wù)與網(wǎng)格相融合，網(wǎng)格計算與云計算競相發(fā)展。

此外，在信息化基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，世界各國紛紛在信息化條件支撐下廣泛展開科研活動，覆蓋粒子物理、天文學(xué)、生物學(xué)、地球科學(xué)、大氣科學(xué)和生態(tài)學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域。典型的應(yīng)用項目包括大型強子對撞機（LHC）及其計算網(wǎng)格（LCG）、平方公里陣列（SKA）射電望遠鏡計劃、歐盟的氣候項目Metafor和Climate-G等。隨著科研信息化的飛速發(fā)展，今后必將有越來越多的工作能夠借助信息化設(shè)施開展多層次、多學(xué)科、大范圍、跨地區(qū)的研究，取得重大的突破性進展。

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