十年一剑！数学如何牵住科学计算的“牛鼻子”？

         当今，科学计算已成为与理论和实验并驾齐驱的现代三大科学方法之一，利用应用数学和计算机科学所提供的计算能力理解和解决科学与工程领域中的问题，成为了促进现代科学发现与科技进步的重要手段。 日前，我国首个以数学学科为主导的国家自然科学基金重大研究计划“高性能科学计算的基础算法与可计算建模”（以下简称重大研究计划）结束评估。10年里，我国科研人员以数学研究面向国家重大需求和国际科学前沿，将高性能科学计算应用在攻克数理科学、生命科学、地球科学、工程与材料科学、信息科学、医学科学等多个领域的科学难题中。 该重大研究计划专家组第一任组长（由于工作变动，该计划后两年由陈志明院士担任组长）、北京应用物理与计算数学研究所研究员、中国科学院院士江松告诉《中国科学报》：“在100多个团队和1000多名研究人员的共同努力下，我国高性能科学计算逐步向国际科学前沿靠拢。” “架桥梁”需要几步？ 数学是自然科学的基础，也是重大技术创新发展的基础，主要依靠可计算建模与基础算法发挥作用，解决实际问题。然而，长期以来，基础算法研究和实际问题解决的“两张皮”现象突出。许多专家明白，这一现象的背后实际上存在科研人员的惯性思想，导致各自为政开展研究。 江松回忆：“2011年前后，专家们和国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）数理科学部管理者经过多次研讨一致认为，给基础算法研究和解决科学领域实际问题这两个环节‘架桥梁’已经迫在眉睫。” 正是在这样的背景下，2011年，自然科学基金委启动重大研究计划“高性能科学计算的基础算法与可计算建模”，组建了由10位科学计算领域的多学科专家和10位管理专家组成的指导专家组和管理工作组。 在“架桥梁”的共识基础上，专家组和管理组将“问题导向”视为实施该重大研究计划的首要落脚点。 “在核心科学问题的设计上，专家组和管理组把‘顶天和立地’作为目标。”江松告诉《中国科学报》，“在立足于国际学科前沿开展基础算法研究的同时，也要面向国家重大需求中的科学计算难题提出解决方案，进行可计算建模研究。” 具体实施过程中，“架桥梁”工程通过3步进行。第一步，寻找“桥墩”。他们在数值计算的共性高效算法、基于机理与数据的可计算建模、问题驱动的高性能计算与算法评价3个层面广泛进行项目培育。第二步，“拧紧螺丝”、组合“结构”，即选取重点支持项目开展组合研究。第三步，建好“桥面”，通过集成基础算法、可计算建模、极端条件下的物理现象、生物信息与疾病、大气与反问题和共性算法的高效实现等6大项目群，以解决一大批实际问题。 正是在上述总体思路的指导下，该重大研究计划取得了许多解决“两张皮”问题的代表性成果。例如，围绕在实验室实现可控核聚变，科研人员设计多个有效算法并将其应用于我国神光III激光装置的黑腔、内爆实验设计与分析等物理研究工作，实现用算法模拟核聚变过程。围绕精准预测航天器回程落点，科研人员开展巨型计算机高效计算实现航天器再入全流域超大规模计算与应用验证研究，成功应用在天宫一号、天宫二号等返回任务中，将位置预测的偏差降低到米量级，提前锁定解体残骸碎片落区散布范围。此外，研究成果还应用在致密油气藏地震资料、冷冻电镜技术、集成电路等领域，极大促进了相关领域的科学研究。 2020年底，该重大研究计划结题时，全体专家组和管理工作组成员欣慰地看到，重大研究计划实施的十年里，我国高性能科学计算研究取得了跨越式发展，有力推动解决了前沿科学研究和国家重大需求提出的计算难题，“两张皮”问题得以初步解决。 给科学家团队“做媒” 在重大研究计划实施的十年里，众多专家组成员跑遍全国各地100多个项目组，在进行监督考察、指导评价工作之外，为各课题组“做媒”成为他们工作的重中之重。 以数学为统筹解决实际科学问题中的计算难题，必须进行跨学科的深度交叉。得益于高性能科学计算的基础算法和可计算建模研究，在重大研究计划最终集成的6个项目群里，产生了从问题到算法的大批优秀成果。 从选取基于问题的项目培育开始，专家组就一直以“牵线搭桥”方式促进多个不同学科之间的交叉融合，在项目资助中广泛匹配，给互不相识但研究符合问题解决方向的课题组相互“介绍对象”。同时，管理组在基金政策和组织形式方面给予大力指导和支持，以保证交叉合作的顺利推进。 湖南师范大学刘红荣团队与上海交通大学和北京大学的图像处理算法团队的合作就是一段“佳话”。2015年，专家组发现，刘红荣团队在前期项目培育阶段已经在“静态生物体”相关研究中取得具有国际领先水平的重要成果。在一次交流中，刘红荣向专家组表示，动态过程图像处理算法不足，限制了他们的进一步研究。 专家组“秒懂”了刘红荣的难处。他们马上联系到该重大研究计划资助的图像处理算法团队，将三个团队合并为集成项目。 最终，集成团队在冷冻电镜生物大分子活性动态三维重构算法基础研究与应用研究方面取得突出进展，形成了拥有自主知识产权的三维重构软件，初步发展了超大型生命分子机器的全原子动力学重建新方法。相关成果发表于《自然》《自然—通讯》等国际期刊上。 不仅如此，据江松介绍，专家组还把已经在“谈恋爱”、有相关合作的项目推进“婚姻殿堂”，甚至还推动不同大项目之间的“联姻”，共同集成大方向下的核心科学成果。 “冷板凳”怎么坐“热”？ 数学是人类利用科学手段探索自然的基础工具，自由探索型基础数学研究和目标导向型应用数学研究是其两个主要研究类别。和快速做出成果的应用数学研究不同，基础数学研究往往意味着研究人员可能坐上了长期没有成果的“冷板凳”。 2018年以来，国家及相关部门陆续制定多份文件强调基础研究的重要性，将数学置于重要地位，明确指出“数学实力的提高往往意味着国家实力的增强”。 作为我国第一个数学学科的重大研究计划，以数学学科为引领的诸多研究成果实实在在地被用于多项科学问题的解决，让数学真正成为基础科学中的基础，成为把“冷板凳”坐“热”的典范。 在专家们看来，重大研究计划的实施也为应用数学学科发展提供了可参考的经验。江松认为，数学学科自由探索型的基础研究往往做出“从0到1”的突破，继而改变整个科学界的发展范式；而目标导向的应用型基础研究则是对突破后新范式的无限延伸发展，将新的基础研究成果广泛应用于科学研究和社会各行各业解决实际问题。“两手抓，两手硬。”他强调。 近年来，自然科学基金深化改革的重要举措之一是明确资助导向，将科学问题属性分为4类，即鼓励探索、突出原创；聚焦前沿、独辟蹊径；需求牵引、突破瓶颈；共性导向、交叉融通。在此基础上，对于不同科学问题属性的分类评审工作也逐步推进。 江松告诉《中国科学报》：“新的资助导向将改变对数学研究的评价，避免‘一刀切’。而评价将进一步作为开展数学研究的‘指挥棒’，引领科研工作。”例如，自由探索型的数学研究解决问题时间长、所需投入少，需要更持久、更有耐心的投入，而大工程式作业的应用型数学研究涉及不同学科的交叉融合，涉及人员多、投入大、问题明确、时间紧，则更需要大手笔、考核标准明确的科研投入和考核机制。 让优秀人才脱颖而出 该重大研究计划为我国高性能科学计算领域培养出一大批学术中坚力量。 从启动到落幕的十年里，经历过培育项目—重点支持项目—集成项目三轮资助的各个项目群里诞生了一批突出/突破成果，高性能科学计算领域的学术新手们在这里和重大研究计划一起，走出了自己的学术成长之路。 北京大学数学科学学院教授杨超就是代表之一。2011年，时任中国科学院软件研究所副研究员的杨超申请项目入选第一批培育项目，随后又进一步获得重大研究计划的集成项目支持。在重大研究计划的持续资助下，杨超与合作者在异构区域分裂算法领域陆续取得突破，应用成果问鼎2016年的戈登贝尔奖。这是29年来国际高性能科学计算的“第一梯队”中，首次有了中国学者的身影。此后，在该重大研究计划的支持下，我国又先后于2017年和2020年两次问鼎该奖。 2016年，杨超（左四）登上戈登贝尔奖领奖台。此后，在该重大研究计划的支持下，我国先后于2017年和2020年两次问鼎该奖。（研究团队供图） 如今，杨超已成长为该领域的青年学术带头人。“重大研究计划围绕一个共同目标把研究人员集中起来，是一种有组织的基础研究，成效非常之好，这种模式对于应用基础研究有很强的推动作用，值得持续开展。”杨超告诉《中国科学报》。 据了解，在项目实施过程中，5名项目负责人被增选为中国科学院院士、11人获得国家杰出青年科学基金项目资助，通过重大研究计划“联姻”的许多课题组还在继续合作开展更进一步的研究，大批研究生进入相关院校和科研单位，众多年轻学者加入了高性能科学计算领域的研究…… 未来，人工智能、机器学习、百亿次计算以及大气海洋环境模拟等前沿课题将成为高性能科学计算进一步发展的重要方向。“面向国家重大需求，抢占计算科学发展的国际制高点，在国际新形势下发展自主科学与工程计算软件是中国高性能科学计算不变的目标和希冀。”江松告诉《中国科学报》。

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2021/02/23