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北京师范大学汤涛:生态发展是科学计算软件需要走的一个必经之路


北京师范大学汤涛在第20届《财经》年会上表示,针对科学计算发表了自己的看法。

汤涛表示,科学计算是指利用计算机再现预测和发现客观世界运动规律和演化特性的全过程,包括建立数学物理模型,研究计算方法,设计并行算法,研制应用程序,开展模拟计算和分析计算结果等过程。

科学计算需要处理的问题是科学研究和工程技术中遇到的数学方程或数据相关的计算。在现代科学和工程技术中,经常会遇到大量复杂的数学或数据问题,这些问题需要量化,比如天气预测、地震预测、核爆炸破坏强度等等,其量化需要计算需要依赖大型计算机的帮助,在计算机出现之前,科学研究和工程设计主要依靠实验或试验提供数据,计算仅处于辅助地位。计算机的迅速发展使越来越多的复杂计算成为可能,自上世纪50年代开始,利用计算机进行科学计算带来了巨大的经济效益,包括飞机设计、汽车设计、水坝设计等等,都需要科学计算的支持。

科学计算同时也使科学技术研究本身发生了根本变化,传统的科学技术只包括理论和实验两个组成部分,主要是理论手段和实验手段,使用计算机之后,计算已成为同等重要的第三个组成部分,理论、实验和计算。

总的来说,在科学研究中,计算可以再现预测和发现客观规律,使它变成现代科学中独立于理论和实验的第三大手段,并且具有独特的优势。

在现代科学和工程计算中经常会遇到大量复杂的问题,其描述可以用数学上的微分方程,但找到这些方程的准确解犹如大海捞针,而科学计算则利用科学原理对微分方程进行合理的数值离散,把无限维问题化解成有限维问题,通过计算机计算能力的不断提升,得到令人满意的近似答案,包括可视化结果。这类操作可以解决很多复杂的实际问题,得到了非常广泛的应用。

科学计算到底有哪些优势呢?有两个主要的优势:第一,科学计算没有损伤,能够诚实承担真实实验不能完成的研究工作,例如研究海啸、地震、核爆炸的破坏等,人类不可能进行真实实验,但可以进行科学计算来模拟场景。

第二,科学计算具有成本低、可重复的特点,能够极大降低真实实验需要的成本,提高研究效率,研究人员通过改变数据就可以根据需要获得任何一个时刻、任何一个地点研究对象发展和演化的大部分信息,进而可以充分了解和细致认识研究对象的发展与演化。

科学计算软件领域涉及的学科、专业、行业众多,国产科学计算软件的发展势必离不开生态的建设,这里的生态包含了科学计算软件的方方面面,底层函数、数学库、运行环境、算法模型、行业应用等等,其中以高校为代表的科研生态是科学计算软件必不可少的环节,从理论研究到成果实现是核心技术的发源地,以企业为代表的行业生态是技术孵化与迭代的土壤,通过解决问题提升科研成果的成熟度。

其次,科学计算软件,不可或缺的就是开发者,开发者可以是个人,也可以是机构,这个角色将直接影响一个技术型生态的发展与走向,开发者能够结合自身行业特点形成更加有影响力的算法、模型、求解器,甚至一些专业的工具箱,从而影响高校与行业研究与使用,使高校的研究与行业的发展能够更紧密结合在一起。因此,生态发展是科学计算软件需要走的一个必经之路,只有各方通力合作,才能更好的发展新技术。

科学计算软件在西方已经走过了40多年,接近50年的历史行程,经过了多轮的迭代。对于咱们国家来说,才是刚刚起步的一项工程,有很多事情要做,而想追上,超过,还有很多挑战,但是我相信,只要我们能充分重视,合理规划,生态发展,培养一大批高质量的人才,就可以真正解决通用型科学计算软件卡脖子的根本问题,建立起高水平的国产计算软件。