李国杰院士--2009当前信息技术面临三座高墙

李国杰院士--当前信息技术面临三座高墙

［科学时报 计红梅报道］“通过一年多的战略研究工作，我们作出的最基本的判断是：信息技术不会像机械和电力技术一样，经过半个世纪的高速发展以后，就变成以增量改进为主的传统产业技术，在21世纪上半叶让位于生物技术和纳米技术，而是面临一次新的信息科学。在整个21世纪，信息科学与技术将与生物、纳米、认知等科学技术交织在一起，继续焕发出蓬勃的生机，引领和支撑国民经济的发展，改变人们的生活方式。”

10月23日，在天津举行的2009中国计算机大会上，作为参与研究中科院面向2050年科技发展路线图的专家之一，中国工程院院士、中科院计算技术研究所所长李国杰向在座的600多位来自全国科研机构、高校和产业界的IT专业人士介绍了其对21世纪上半叶信息科学技术发展战略取向的研究成果。

李国杰认为，不论是集成电路、高性能计算机，还是互联网和存储器，2020年前后都会遇到只靠延续现有技术难以逾越的障碍（即“信息技术墙”），孕育着新的重大科学问题的发现和原理性的突破。2020年以前要积极探索攻克“信息技术墙”的核心技术，重点解决信息系统的可扩展性、低能耗、安全性和易用性等难题；2020年以后，什么技术将成为新的主流技术就会逐步明朗；2020年到2035年将是信息技术改天换地的大变革时期；2035年到2050年，符合科学发展观的新的信息网络体系会逐步形成。

当前信息技术面临三座高墙

“信息技术的基础理论大部分是上世纪60年代以前完成的，近40年来信息科学没有取得重大突破。”李国杰说。

他认为，当前信息技术面临三座高墙，即挖掘并行性和可扩展的困难、信息处理的高功耗、复杂信息系统安全可靠性低等。

对此，他作了进一步的解释。许多信息技术不约而同地将在2020～2030年之间出现难以逾越的障碍。到2020年左右，摩尔定律将不再有效，集成电路正在逐步进入“后摩尔时代”，必须更多地从“Beyond CMOS”中寻找新的出路。与此同时，计算机正逐步进入“后PC时代”，终端设备将从“高大全”向“低小专”（“专”指个性化）转变，降低功耗是首要目标。

此外，2020年以后，超级计算机的“千倍定律”将失效，只在现有的技术基础上作改进，2030年肯定做不出Zettaflops级（1021 flops）水平的计算机。进入“后IP”时代是不可避免的发展过程，可能需要20年时间才能真正突破TCP/IP协议的局限。

他指出，信息领域的技术要向3个方向进行重点突破：在扩展性方面，要可扩展到亿级并行度，惠及数十亿用户；在低功耗方面，要努力做出低功耗的信息系统；在可靠安全方面，要致力于研制高可信的信息系统。

李国杰认为，我国信息技术研究人员2020年以前要积极探索攻克“信息技术墙”的核心技术，重点解决信息系统的可扩展性、低能耗、安全性和易用性等难题。

“这样的结论给我们的重要启示是，从现在开始，历史留给我们难得的机遇期只有10～15年左右。如果我们错过这15年，就很难在21世纪上半叶成为信息产业的强国，必将对我国的现代化进程产生十分不利的影响。”李国杰说。

21世纪信息技术发展的新取向

“在21世纪，人们已经从重视信息科学技术的内涵转到重视外延。”李国杰指出，“现在人们谈论信息科学的时候，更多地是将它和社会、健康、能源、材料等其他领域联系起来。”以美国工程院列出的21世纪工程科技重大挑战为例，其有关信息技术的内容是“促进医疗信息科学发展、保障网络空间安全、提高虚拟现实技术、促进个性化学习和大脑逆向工程”，这几乎都是信息与其他领域的交叉学科。

李国杰认为，21世纪信息技术发展的新取向是，在继续发展工程技术的规模效益的同时，更加重视信息技术的多样性、开放性和个性化，更加重视信息技术惠及大众。在重视技术作为生产力决定性因素的同时，更加重视信息科学的研究探索，特别是与纳米、生命、认知等科学的交叉研究；更加重视医学及与人类健康有关的信息科学技术。

人们在重视信息技术的市场竞争能力及经济效益的同时，将更加重视生态和环境影响，探索对有限自然资源和无限知识资源的分享、共享和可持续利用。在继续科学与技术的紧密结合的同时，更加重视信息技术与人文艺术的结合，更加重视信息技术伦理道德方面的研究和对信息技术社会作用的法制化管理与监督。

2020年以前我国科研的主要目标

“制定的2006～2020年科学技术发展规划纲要中，两个最重要的目标是：科技对经济的贡献率提高到60%（现在为40%左右）；对外技术依存度降低到30%（现在为50%左右）。笼统地讲，就是要做到平均每年科技贡献率至少要提高1个百分点；对外技术依存度至少要降低1个百分点。”

“这一‘率’一‘度’是发展中国科技的总纲，科技工作者时时刻刻要提醒自己，我们的科研是不是为这一个‘提高’、一个‘降低’作出了贡献。”李国杰说。

为此，李国杰指出，国家中长期科技发展规划纲要制定了十六字方针“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”。实际工作中，很多科研人员却往往只重视支撑发展，忽视重点跨越和引领未来。他认为，未来10年要纠正这一倾向。支撑与引领“两手”都要硬。

“多少年来，我们总是认为自己底子薄、基础差，不具备创造技术的条件，习惯于在国外的基础技术平台上做科研工作。计算机领域基本上不敢跳出Wintel平台去思考创新。”李国杰一针见血地指出这样下去的可怕后果：“今天不作引领性的科研，不重视‘重点跨越’，明天就只能靠国外的技术支撑我国的产业。”

回顾改革开放30年来信息科学技术的发展历程，李国杰认为：“值得反思的一点是，科技界没有摆脱跟踪模仿的思维方式，30年未建立自主可控的基础信息技术平台。”

他同时指出，今后10年是中国信息企业打翻身仗的好时机。从芯片、计算机、网络到信息服务系统，未来10年中国有能力走出一条新路，建立自己的信息技术体系。中国的网络服务体系必须针对中国自己的问题，目前我们面对的最大问题是信息化与工业化的融合，实现经济结构的转型和提升。

李国杰说：“在开放的原则下打造自主可控的信息技术基础平台，今天这一被许多人认为是‘乌托邦’式的空想，能否变为现实，关键不在技术，而在于政治家的决心和推动者的热情和恒心。”

“虽然科技竞争已经白热化，我们要尽可能改善我们的科研条件，尽可能加大我国的科技投入。但是，中国特色自主创新的灵魂是艰苦奋斗的拼搏精神和以弱胜强的意识。”李国杰认为。

《科学时报》 (2009-10-29 A1 要闻)

李国杰院士：一场压抑已久的信息科学即将到来

“信息科技正在进入全民普及阶段，信息技术惠及大众将成为未来几十年的主旋律；21世纪上半叶，将兴起一场新的信息科学，其结果可能导致21世纪下半叶新的技术。”11月13日，在2008诺贝尔奖获得者北京论坛举行的中科院信息与创新战略研讨会上，中科院计算所所长李国杰院士对21世纪上半叶信息科学技术发展趋势作总体判断时表示。

信息科学还处在伽利略时代

近20年来，集成电路和网络技术的飞速发展对信息科学提出了若干挑战性的理论问题：如何对付信息系统的巨大复杂性？如何保证信息系统的可靠性？如何将信息系统的功耗降低几个数量级？

20世纪下半叶是以技术发明和技术创新为标志的时代，然而信息科学还是一门年轻的科学，近40年信息技术走在了信息科学的前面。

李国杰表示：“目前的信息科学只相当于1905年以前的理论物理研究，信息科学还处在伽利略时代。20世纪下半叶信息技术发展迅猛，但信息技术的基础理论大部分是20世纪60年代以前完成的，近40年信息科学没有取得重大突破。”

网络已成为信息技术的主体，Internet可能是人类历史上最大的工程，但至今没有理论可以解释随机操作的Internet为什么能做到如此大的规模而不崩溃，就如同两千多年前中国没有建筑理论却建成了万里长城。对于网络我们有许许多多的问题需要回答，比如：如果整个Internet网络是一台巨大的计算机，那么，什么是这个网格计算机的公共编码？什么是它的体系结构？什么是它的地址空间？什么是它的处理器与指令系统？什么是它的编程语言？如何设计与分析它的算法？网络世界的基本规律是什么？什么是它的守恒量？有没有类似于物质不灭定律、能量守衡定律、惯性定律之类的规律？

李国杰表示：“网络的健康发展必须要基于坚实的科学理论之上，今后几十年发展网络科学是信息领域一项最基础的科研工作。”他认为，在信息科学的指引下，21世纪的信息技术也将展现新特点，将会在重视技术作为生产力决定性因素的同时，更加重视信息科学的研究探索，特别是与纳米、生命、认知等科学的交叉研究；更加重视医学及与人类健康有关的信息科学技术；更加重视生态和环境影响，探索对有限自然资源和无限知识资源的分享、共享和可持续利用，重视信息技术与人文艺术的结合，以及信息技术伦理道德方面的研究和对信息技术社会作用的法制化管理与监督。而其中最重要的一点，是“在继续发展工程技术的规模效益的同时，更加重视信息技术的多样性、开放性和个性化，更加重视信息技术惠及大众”。

计算＋传统科学 = 新科学

13世纪，十进制计算从印度通过阿拉伯世界传到欧洲，同时发明了代数运算，开启了计算和科学并行交织发展的历史。17世纪，牛顿和莱布尼兹同时发明了微积分，新的计算模式具有描述变化速度的能力，使人类得以发现自然规律，发展了力学、热学、声学、光学、电磁学等学科。数学根植于人类的日常生活。

李国杰表示，同样，编写计算机程序的大量日常工作可能会导致产生新的数学。如同望远镜促进天文学、显微镜促进医学发展一样，数字计算机的发明，特别是近20年微处理器和网络技术的突飞猛进，使大规模并行计算和网格计算成为可能，将导致一场科学的，21世纪将产生以并行计算为基础的新科学。

“21世纪的发展趋势是从计算机支持科学家作传统科学研究转向计算嵌入到科学研究的全过程，形成新的科研形式。”

“计算机科学对于生物学，如同数学对物理学一样重要。计算机科学的思维方式将渗透到分子生物学的全过程。计算生物学将成为生物学的主流。”李国杰强调。

美国未来学家Raymond Kurzweil于2005年出版著作《接近奇异点》（Singularity is near）称，技术的指数级发展将不可避免地导致超人类智能的出现，他预测这一时间为2029年。

但李国杰说，人脑是数十亿年生物进化的结晶，计算速度的提升并不能刻画人脑的所有功能，目前离解开大脑智慧之谜还有很远的距离，也许数百年内做不到。人机和谐共生是发展信息技术的基本追求，发展信息技术不能把人变成机器，但人却可以给机器带来启示。

通过生物几十亿年进化形成的人类大脑是通过大量神经元并行分布工作获得智慧的，不是靠单个神经元的高速信息处理，神经信号传输速度在毫秒级。大脑里有大约1000亿个神经元，每个神经元有数千个神经连接，而每个神经连接还有大约1000个神经通道。

李国杰指出，信息科学必须从生物和人脑等天然系统中获得启示，特别是找到如何实现大规模并行分布处理、动态连接、自适应性、容错和自修复性等功能的机制，使信息系统走出20世纪的壁垒。

信息技术的发展主流是惠及大众

从1946年电子计算机诞生算起，信息技术已经走过60年，从上世纪80年代PC机的诞生算起，信息技术的大规模应用已经20多年。信息技术和产业界多数人认为信息技术已进入广泛普及阶段。

李国杰表示，信息领域今后还会不断出现新技术，从某个角度看，有些甚至是带有性的新技术。但总的来讲，以信息技术为特征的经济发展长波（每个长波平均为50～60年）已开始进入后半期。因此，今后30年信息技术的发展主流是普及应用，要使信息技术惠及大众。

李国杰称，普及信息技术可能比普及电力技术更困难，需要更长时间。所谓技术普及，是指如同电力系统一样，用户只要知道电源插座在哪儿，其他都不用管。信息技术离这种普及还有很长的路要走。

李国杰在报告中还建议组建以高性能计算仿真为纽带的交叉科学研究所或实验室（纳米信息学、生物信息学、认知科学等），并提出，国家在2020年以前支持开展生命仿真器研究，研制每秒100亿亿次（1018）运算速度的网络计算系统，快速精确地仿真蛋白质、细

胞、人体和群体4个层次的重要生命现象，应用于生物检测、良种培育、新药发现、疾病防治等领域，提升全民健康水平。

《科学时报》 (2008-11-17 A1 要闻)