1. 軟件工程作為一種戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)

我們生活在一個(gè)由軟件驅(qū)動(dòng)的變革時(shí)代。軟件以及所有軟件工程的過(guò)程、實(shí)踐、技術(shù)和支持它的科學(xué)領(lǐng)域，使我們的醫(yī)療、國(guó)防、商業(yè)、通信、教育和能源系統(tǒng)成為可能。它也是幾乎所有研究領(lǐng)域的關(guān)鍵賦能組件，如智能基礎(chǔ)設(shè)施（納米技術(shù)）、人類增強(qiáng)（生物技術(shù)）和自主交通。然而，對(duì)軟件的依賴使我們?nèi)菀资艿狡渥陨砣觞c(diǎn)的影響。軟件的弱點(diǎn)直接反映了軟件工程的現(xiàn)狀和實(shí)踐中的不足之處，它們可以毫無(wú)預(yù)警地影響數(shù)百萬(wàn)人。2021年，軟件問題導(dǎo)致了美國(guó)歷史上最大規(guī)模的輸油管道關(guān)閉，并導(dǎo)致了數(shù)百家企業(yè)的癱瘓。軟件質(zhì)量問題還導(dǎo)致了飛機(jī)和汽車墜毀中的生命損失，以及航空飛行的昂貴故障。

如果沒有永遠(yuǎn)投資軟件工程的催化劑，隨著我們?cè)絹?lái)越依賴于越來(lái)越大且越來(lái)越復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，情況將會(huì)進(jìn)一步惡化。本報(bào)告旨在成為此類催化劑。確定將支持未來(lái)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和研究領(lǐng)域，并制定指導(dǎo)研究工作的路線圖，是使軟件成為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵一步。本研究概述了旨在使未來(lái)軟件系統(tǒng)更安全、可預(yù)測(cè)和可進(jìn)化的努力?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所（CMU SEI）與軟件工程界進(jìn)行了接觸，并組建了一個(gè)由遠(yuǎn)見卓識(shí)者和高級(jí)思想領(lǐng)袖組成的咨詢委員會(huì)，以確保軟件工程的生態(tài)系統(tǒng)觀點(diǎn)的廣泛性，并在將來(lái)的研發(fā)愿景和路線圖中得到體現(xiàn)。

2. 調(diào)查結(jié)果反映了新的學(xué)習(xí)、挑戰(zhàn)和研究需求

不出所料，本研究調(diào)查指出，軟件工程研究是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)、快速發(fā)展的領(lǐng)域，技術(shù)可以迅速崛起并發(fā)展成為現(xiàn)代生活基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分。雖然這也許并不令人驚訝，但最近的技術(shù)趨勢(shì)在多范圍內(nèi)融合在一起，并出現(xiàn)速度和質(zhì)量都很高的軟件能力，其中許多技術(shù)和能力在10年前都是無(wú)法想象的。

以下調(diào)查結(jié)果來(lái)源于軟件工程實(shí)踐的現(xiàn)狀、有助于推進(jìn)軟件工程實(shí)踐狀態(tài)的新趨勢(shì)和新興技術(shù)、與軟件工程研究社區(qū)舉辦的研討會(huì)、文獻(xiàn)調(diào)查、與該領(lǐng)域?qū)＜业脑L談以及我們咨詢委員會(huì)的投入。他們總結(jié)了軟件工程未來(lái)所需的關(guān)鍵學(xué)習(xí)、關(guān)鍵挑戰(zhàn)和新研究。

保持國(guó)家軟件工程能力是一項(xiàng)戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。軟件工程影響一切，因?yàn)檐浖o(wú)處不在，包括我們國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)防、金融、教育和醫(yī)療系統(tǒng)。我們對(duì)軟件系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的依賴使得我們必須保持國(guó)家在軟件工程領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位和戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。我們需要提高軟件工程的知名度，使其獲得與其對(duì)國(guó)家安全和競(jìng)爭(zhēng)力的重要性相稱的持續(xù)認(rèn)可和投資。

保持國(guó)家軟件工程能力需要持續(xù)的研究。新型軟件系統(tǒng)將繼續(xù)超越當(dāng)前的軟件工程理論、工具和實(shí)踐所能支持的范圍。未來(lái)的系統(tǒng)和軟件工程的根本性轉(zhuǎn)變需要在智能自動(dòng)化、確保系統(tǒng)進(jìn)化、理解組合系統(tǒng)和新的系統(tǒng)類型（如人工智能系統(tǒng)、社會(huì)規(guī)模系統(tǒng)和量子系統(tǒng)）等領(lǐng)域的重點(diǎn)突破。

保持國(guó)家軟件工程能力需要促進(jìn)戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。我們需要促成戰(zhàn)略伙伴關(guān)系與合作，以推動(dòng)行業(yè)、研究實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界和政府之間的軟件工程研究創(chuàng)新。

保持國(guó)家軟件工程能力需要持續(xù)的投資。決策者必須認(rèn)識(shí)到軟件工程的好處，并使其成為一項(xiàng)重要的國(guó)家能力。這種承認(rèn)將意味著持續(xù)的戰(zhàn)略投資。

軟件工程的愿景需要改變。當(dāng)前的軟件開發(fā)流水線概念將被基于程序員意圖不斷進(jìn)化系統(tǒng)的AI和人合作概念所取代。

將重點(diǎn)放在再保證的系統(tǒng)上，使新能力能夠持續(xù)、快速地整合。由于軟件無(wú)處不在，因此對(duì)軟件的需求不斷增加，不斷發(fā)展，以整合新的功能。因此，我們需要了解如何在不損害現(xiàn)有能力的情況下，持續(xù)有效地重新保證依賴軟件的系統(tǒng)，提高鑒證證據(jù)和論據(jù)的重要性將是關(guān)鍵。

社會(huì)級(jí)規(guī)模的系統(tǒng)需要新的設(shè)計(jì)原則。對(duì)軟件影響的認(rèn)知正在產(chǎn)生新的質(zhì)量屬性需求，軟件工程師需要開發(fā)更好的設(shè)計(jì)方法。除了傳統(tǒng)屬性（可修改性、可靠性、性能等），還需要添加一個(gè)新的質(zhì)量屬性列表，如透明度、影響力等。

需要重新構(gòu)構(gòu)造軟件工程的人才隊(duì)伍。依賴于軟件的系統(tǒng)是由一群擁有完全不同技能的人為許多不同的目的而構(gòu)建的，其中許多人沒有受過(guò)正式的軟件工程培訓(xùn)。我們需要更好地了解所需勞動(dòng)力的性質(zhì)以及了解如何促進(jìn)其增長(zhǎng)。

3. 未來(lái)軟件工程的指導(dǎo)性愿景和路線圖

我們的指導(dǎo)性愿景是，當(dāng)前的軟件開發(fā)流水線概念被替換為人和軟件是值得信賴的合作者，可以根據(jù)程序員的意圖快速開發(fā)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，我們預(yù)計(jì)未來(lái)系統(tǒng)工程需要新的開發(fā)和架構(gòu)范例。

我們的研究有助于為未來(lái)系統(tǒng)的軟件工程提供新的研究領(lǐng)域。與顧問委員會(huì)和軟件工程研究社區(qū)的其他領(lǐng)導(dǎo)者密切合作，我們制定了包含六個(gè)研究重點(diǎn)領(lǐng)域的研究路線圖。下圖顯示了這些領(lǐng)域以及要開展的研究主題列表，隨后對(duì)每個(gè)研究重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了簡(jiǎn)短描述。

3.1 人工智能增強(qiáng)了軟件開發(fā)

在軟件開發(fā)過(guò)程的每個(gè)階段，人工智能都能提供幫助。通過(guò)減輕繁瑣的任務(wù)，人們將能夠更好地專注于需要?jiǎng)?chuàng)造力的任務(wù)，以及只有人類才能提供的創(chuàng)新。為了實(shí)現(xiàn)這一重要目標(biāo)，我們需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)軟件開發(fā)過(guò)程，增加對(duì)開發(fā)人員的人工智能和自動(dòng)化工具支持。關(guān)鍵的挑戰(zhàn)將是利用整個(gè)生命周期中生成的數(shù)據(jù)。該研究領(lǐng)域的重點(diǎn)是人工智能增強(qiáng)軟件開發(fā)在開發(fā)的每個(gè)階段會(huì)是什么樣子。在持續(xù)演進(jìn)過(guò)程中，人工智能在承擔(dān)常規(guī)任務(wù)時(shí)特別有用。

3.2 確保軟件系統(tǒng)的持續(xù)演進(jìn)

當(dāng)考慮當(dāng)今依賴于軟件的系統(tǒng)時(shí)，它們不是靜態(tài)的（甚至不經(jīng)常更新的）工程工件。相反，它們是流動(dòng)的，這意味著它們將經(jīng)歷幾乎連續(xù)的更新和改進(jìn)，并仍然有效。因此，該研究領(lǐng)域的目標(biāo)是開發(fā)快速和有保證的軟件演化的理論和實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)演化系統(tǒng)的有效性和有界性的再保證。

3.3 通過(guò)組合正確性進(jìn)行軟件構(gòu)建

隨著依賴于軟件的系統(tǒng)范圍和規(guī)模不斷增長(zhǎng)和變化，這些系統(tǒng)的復(fù)雜性使得任何一個(gè)人或團(tuán)體都無(wú)法理解整個(gè)系統(tǒng)。因此，有必要使用支持模塊化組件組合的技術(shù)和平臺(tái)來(lái)集成（并持續(xù)重新集成）軟件系統(tǒng)。這是特別困難的，因?yàn)樵S多這樣的組件是從現(xiàn)有元素中重用的，而這些元素不是設(shè)計(jì)為在一起集成或演進(jìn)的。該研究領(lǐng)域的目標(biāo)是創(chuàng)建方法和工具，以規(guī)范和實(shí)施組合規(guī)則，允許（1）創(chuàng)建所需的行為（功能和質(zhì)量屬性）和（2）保證這些行為。

3.4 人工智能賦能的軟件系統(tǒng)工程化

人工智能支持系統(tǒng)是軟件依賴系統(tǒng)，包括了人工智能和非人工智能組件，與沒有人工智能的系統(tǒng)相比，具有一些不同的固有特征。然而，支持人工智能的系統(tǒng)首先是一種軟件系統(tǒng)。這些系統(tǒng)與傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)有許多相似之處。該研究領(lǐng)域的重點(diǎn)是探索現(xiàn)有的軟件工程能夠可靠地支持人工智能系統(tǒng)的開發(fā)，以及識(shí)別和增強(qiáng)軟件工程技術(shù)，用于規(guī)范、設(shè)計(jì)、架構(gòu)、分析、部署和維護(hù)具有人工智能組件的系統(tǒng)。

3.5 社會(huì)規(guī)模系統(tǒng)的工程化

社會(huì)規(guī)模的軟件系統(tǒng)，如今天的商業(yè)社交媒體系統(tǒng)，旨在保持用戶參與，并經(jīng)常影響他們的生活和工作。社會(huì)規(guī)模系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是預(yù)測(cè)社會(huì)激勵(lì)的質(zhì)量屬性，當(dāng)人類是系統(tǒng)的組成部分時(shí)，這些屬性會(huì)出現(xiàn)。目標(biāo)是利用社會(huì)科學(xué)的知識(shí)來(lái)構(gòu)建和發(fā)展考慮這些屬性的社會(huì)規(guī)模軟件系統(tǒng)。

3.6 量子計(jì)算的軟件系統(tǒng)工程

量子計(jì)算軟件工程的進(jìn)步與硬件的進(jìn)步同樣重要。這一研究領(lǐng)域的目標(biāo)是首先使當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)能夠更容易、更可靠地編程，然后隨著更大、完全容錯(cuò)的量子計(jì)算系統(tǒng)變得可用，實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多的抽象。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是最終將這些類型的系統(tǒng)完全集成到統(tǒng)一的軟件開發(fā)生命周期中。

4. 研究和立法建議促進(jìn)變革

促進(jìn)軟件工程的變革將導(dǎo)致更值得信賴和能力更強(qiáng)的依賴于軟件的系統(tǒng)。本節(jié)前面預(yù)覽的路線圖所示的研究重點(diǎn)領(lǐng)域衍生了一系列促進(jìn)變革所需的研究建議，隨后是制定建議，重點(diǎn)是需要的人員、投資和維護(hù)。

以下研究解決了各種挑戰(zhàn)，如人工智能的日益使用、確保不斷變化的系統(tǒng)、組合和重新組合系統(tǒng)以及社會(huì)技術(shù)的工程化和異構(gòu)系統(tǒng)。

使AI成為可靠的系統(tǒng)能力增強(qiáng)器。軟件工程和人工智能社區(qū)應(yīng)該聯(lián)手發(fā)展人工智能的工程學(xué)科。這將有助于人工智能軟件系統(tǒng)的開發(fā)和發(fā)展，使其按預(yù)期運(yùn)行，并使人工智能成為軟件工程生產(chǎn)力的倍增器。

軟件系統(tǒng)演進(jìn)和規(guī)?；ＷC的理論和開發(fā)實(shí)踐。軟件工程研究社區(qū)應(yīng)該開發(fā)一種理論和相關(guān)實(shí)踐，以重新確保不斷演進(jìn)的軟件系統(tǒng)。本研究的一個(gè)焦點(diǎn)是保證論證，它應(yīng)該是與系統(tǒng)架構(gòu)同等重要的軟件工程工件，以確保小的系統(tǒng)更改只需要增量的重新保證。

為組合技術(shù)開發(fā)形式語(yǔ)義。計(jì)算機(jī)科學(xué)界應(yīng)該關(guān)注最新一代的組合技術(shù)，以確保依賴注入框架等技術(shù)通過(guò)指定系統(tǒng)行為的不同抽象級(jí)別來(lái)保持語(yǔ)義。這將允許在實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的運(yùn)行時(shí)行為的同時(shí)，通過(guò)組合獲得演進(jìn)的好處。

社會(huì)規(guī)模的社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成熟的工程化。軟件工程社區(qū)應(yīng)與社會(huì)科學(xué)社區(qū)合作，為社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)工程原理。社會(huì)學(xué)和心理學(xué)等學(xué)科的理論和技術(shù)應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)原則，這反過(guò)來(lái)應(yīng)導(dǎo)致社會(huì)規(guī)模系統(tǒng)的更可預(yù)測(cè)行為。

促進(jìn)對(duì)新計(jì)算模型工程的更多關(guān)注，重點(diǎn)是量子使能的軟件系統(tǒng)。軟件工程界應(yīng)與量子計(jì)算界合作，以預(yù)測(cè)量子賦能的新架構(gòu)范例計(jì)算系統(tǒng)。重點(diǎn)應(yīng)該是理解量子計(jì)算模型如何影響軟件堆棧的所有層。

上述建議側(cè)重于實(shí)現(xiàn)變革的科學(xué)和工程障礙。以下立法建議側(cè)重于體制障礙，包括經(jīng)濟(jì)、人力和政策障礙。

確保投資優(yōu)先權(quán)反映軟件工程作為國(guó)家關(guān)鍵能力的重要性。軟件工程在國(guó)家安全和全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力中的戰(zhàn)略作用應(yīng)反映在國(guó)家研究活動(dòng)中，包括美國(guó)白宮科技政策辦公室（OSTP）和網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)研發(fā)（NITRD）開展的研究活動(dòng)。這些研究活動(dòng)應(yīng)將軟件工程研究視為與芯片制造和人工智能同等重要的投資重點(diǎn)，有利于國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力和安全。

將軟件工程研究的持續(xù)進(jìn)展制度化。軟件工程的持續(xù)進(jìn)步要求將軟件工程研究和實(shí)踐影響的持續(xù)審查和再投資周期制度化。保持國(guó)家軟件工程水平需要研究資金來(lái)源和機(jī)構(gòu)與軟件工程界的行業(yè)和政府領(lǐng)導(dǎo)人合作，定期審查軟件工程的狀態(tài)。

制定一項(xiàng)戰(zhàn)略，確保未來(lái)軟件工程的有效勞動(dòng)力。目前，軟件工程由具有大量跨學(xué)科技能的人員執(zhí)行，并不總是包括軟件工程的正式培訓(xùn)。此外，軟件工程的性質(zhì)似乎正在改變，以反映依賴于軟件系統(tǒng)的流動(dòng)性。我們需要更好地了解所需勞動(dòng)力的性質(zhì)以及如何促進(jìn)其增長(zhǎng)。軟件工程界、軟件行業(yè)和學(xué)術(shù)界應(yīng)制定一項(xiàng)戰(zhàn)略，以確保未來(lái)軟件工程人員隊(duì)伍的有效性。

5. 構(gòu)建面向未來(lái)的系統(tǒng)需要的軟件工程

基于軟件的性質(zhì)，它在能力、復(fù)雜性和互聯(lián)方面在持續(xù)無(wú)限制增長(zhǎng)。軟件的發(fā)展似乎沒有停滯不前。為了使未來(lái)的軟件系統(tǒng)安全、可預(yù)測(cè)和可進(jìn)化，來(lái)自私人和公共來(lái)源投資的軟件工程界必須共同努力，從戰(zhàn)略上推進(jìn)軟件工程的理論和實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)下一代軟件依賴系統(tǒng)。