全球开源科学软件发展态势2022

“科创中国”开源创新联合体中国科学院成都文献情报中心全球开源科学软件发展态势 2022“科创中国”开源创新联合体中国科学院成都文献情报中心2022 年 11 月 1 全球开源科学软件发展态势 2022 引言 “开源软件”意指软件开发者将软件源代码免费提供给用户，同时要求用户遵循一定的开源规范，包括源代码的使用和修改、软件传播、公平性、中立性等方面。开源软件主要采用依靠大众、自下而上的模式，软件开发者和大量用户可以在鼓励创新和交流的环境中持续完善软件，有助于发掘出真正具备潜力和价值的软件产品与服务，同时可有效助力创新生态的协同构建。 联合国教科文组织《开放科学建议书》将开放科学定义为一个集各种运动和实践于一体的包容性架构，旨在实现人人皆可公开使用、获取和重复使用的科学知识，增进科学合作和信息共享，并向传统科学界以外的社会行为者开放科学知识的创造、评估和传播进程。开放科学具有开放、透明、合作和包容的特征，可以提高科学的质量、可再现性和影响力，推动科学知识、数据和信息的共享，有助于加强国际或跨领域科学合作，以及减少科技创新领域的不平等不均衡问题。 图 1 开放科学主要支柱 （来源：联合国教科文组织《开放科学建议书》） 《开放科学建议书》将开源软件和源代码作为开放科学主要支柱之一的开放式科学知识的重要组成部分。并且，科学出版物、开源硬件、开放科学基础设施、社会行为者的开放式参与等也涉及开源软件（图 1）。可见，开源软件是广泛存在于开放科学活动中的要素。 开源科学软件是开放科学与开源软件的重要交汇点，以开源的模式开发和应用科学软件，充满了开放和创新的活力，吸引了科研工作者、软件开发者和民众的广泛参与和支持。 本报告聚焦开源科学软件，通过对包括政府科技部门、顶尖科研机构、一流高校、领先科学软件汇聚平台等在内的全球百余家重要机构或组织进行调研，采集到 3040 款开源科学软件相关信息，在此基础上分析凝练了全球开源科学软件的发展态势，以期为各界推动开源科学软件高质量发展提供参考，进而更好服务开放科学和开源创新。 2 全球开源科学软件发展态势 2022 1. 开源科学软件总体发展态势 1.1 开源科学软件应用学科领域 本报告共采集到 3040 款开源科学软件的信息，涉及的学科领域包括数理科学、化学科学、生命科学、地球科学、工程与材料科学、信息科学、管理科学、医学科学和交叉科学，另有部分开源科学软件可多学科通用。 从各学科领域使用的开源科学软件来看（图 2），信息科学、数理科学、工程与材料科学这类主要涉及科学计算的工科型学科对应的开源科学软件占比最大。其中，主要面向信息科学的开源科学软件有 915 款，面向数理科学的开源科学软件有 516 款，面向工程与材料科学的开源科学软件有 466 款。通用性开源科学软件有 339 款，面向生命科学、交叉科学、医学科学这三个学科的开源科学软件存在高度交叉的情况，分别有 275 款、254 款、73 款。此外，面向地球科学的开源科学软件有 174 款，面向化学科学的开源科学软件有115 款，面向管理科学的开源科学软件有 92 款。 图 2 开源科学软件主要应用学科领域分布及代表性软件 从开源科学软件的主要功能来看，解决学科关键科学问题是相应开源科学软件的主要目标，包括： ⚫ 数理科学领域开源科学软件主要实现力学、物理学、数学等学科领域的各种过程模拟、仿真和建模分析，代表性开源科学软件包括 Geant4、FermiLib、ChaNGa、NEK5000、LYNX 等； ⚫ 化学科学领域开源科学软件主要实现对复杂分子体系的原子模拟、晶格中原子的位置计算、辅助分析质谱数据等，代表性开源科学软件包括 BigDFT、Dalton、fuelcell、ML4Chem、Nwchem 等； ⚫ 生命科学领域开源科学软件主要实现蛋白质 3D 结构的快速预测、宏基因组序列分类、染色质状态的检测、DNA 和 RNA 序列数据的短读比对等，代表性开源科学软件包括 AlphaFold、Centrifuge、ChromHMM、BBmap 等； ⚫ 地球科学领域开源科学软件主要实现遥感探测数据可视化、水文观测数据建模与模拟等功能，代表性开源科学软件包括 ORBIT、PETGEM、Earth System Grid、Earthdata、ParFlow 等； ⚫ 工程与材料科学领域的开源科学软件主要实现航天航空、材料、能源电力、车辆和地面交通、工业机械、船舶、电子等工程领域的仿真开发、可视化分析等，代表性开源科学软件包括 OpenFOAM、 3 全球开源科学软件发展态势 2022 ChASE、Golem、HZDR、MATSim 等； ⚫ 信息科学领域开源科学软件主要实现面向超级计算系统的软硬件协同优化、高性能近似计算、人工神经网络高效训练等，代表性开源科学软件包括 ExaSAT、HPAC、LBANN 等； ⚫ 管理科学领域开源科学软件主要实现辅助研究金融风险管理体系、处理多种经济模型、评估货币政策等功能，代表性开源科学软件包括 Dynare、Bake、dynamo 等； ⚫ 医学科学领域开源科学软件主要实现辅助医疗决策、估计透射电镜照片中的物镜散焦参数、完善大规模质谱研究等，代表性开源科学软件包括 OpenCMISS、Ctffind、Skyline 等； ⚫ 交叉科学领域开源科学软件主要实现分子动力学模拟、结构优化、流体建模等，代表性开源科学软件包括 NAMD、LAMMPS、Pysam、GENESIS、WindSE 等； ⚫ 通用型开源软件主要实现数据可视化分析、矩阵计算、有限元分析等，代表性开源科学软件包括VisIt、ELPA、CAMELLIA、CEED 等。 1.2 开源科学软件开发者类型 参与开源科学软件的开发者类型众多，包括科研院所、高校、企业、个人，以及其他的联合体、开源项目社区等类型。通过对 3040 款开源科学软件的开发者统计发现，开源科学软件最主要的贡献者是科研院所，占比 86%。其次是高校和个人，各占 5%，企业和其他类型各占 2%（图 3）。 图 3 开源科学软件的开发者类型分布情况 需要指出的是，本报告数据采集自百余家全球重要的科研院所、高校、开源科学软件汇聚平台，其中科研院所约占 37%，高校约占 56%。科研院所有法国原子能和替代能源委员会、德国亥姆霍兹联合会以及美国能源部国家实验室等；高校有美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校以及瑞士洛桑联邦理工学院等。 本报告发现，中、美、欧、日等国部分科研院所在开源科学软件的开发、应用和管理方面具有较超前的管理秩序与思路，搭建了开源科学软件汇聚平台，为研究人员提供了便捷的查询和使用途径。 4 全球开源科学软件发展态势 2022 1.3 开源科学软件遵守的开源许可协议 开源软件的知识产权主要通过开源许可协议（也称开源许可证）进行许可与约束。开源许可协议是涉及专利、版权、商标等一系列权利义务的格式合同。一个开源项目依赖众多开源软件包或组件，开源软件在开发过程中也会不断加入新的开源组件，可能引入多个开源许可协议，表 1 列出了主流的开源许可协议。 表 1 主流开源许可协议类型对比 （