2011年，我國首個(gè)以數(shù)學(xué)學(xué)科為主導(dǎo)的國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“高性能科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)算法與可計(jì)算建模”正式啟動(dòng)，2020年底結(jié)束評估。10年里，高性能科學(xué)計(jì)算與相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域深度融合，緊緊抓住數(shù)學(xué)這個(gè)“牛鼻子”，為諸多科學(xué)難題的解決提供了強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力。
2016年，楊超（左四）登上戈登貝爾獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。此后，在該重大研究計(jì)劃的支持下，我國先后于2017年和2020年兩次問鼎該獎(jiǎng)。 科學(xué)網(wǎng) 圖
當(dāng)今，科學(xué)計(jì)算已成為與理論和實(shí)驗(yàn)并駕齊驅(qū)的現(xiàn)代三大科學(xué)方法之一，利用應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)所提供的計(jì)算能力理解和解決科學(xué)與工程領(lǐng)域中的問題，成為了促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)與科技進(jìn)步的重要手段。日前，我國首個(gè)以數(shù)學(xué)學(xué)科為主導(dǎo)的國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“高性能科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)算法與可計(jì)算建模”（以下簡稱重大研究計(jì)劃）結(jié)束評估。10年里，我國科研人員以數(shù)學(xué)研究面向國家重大需求和國際科學(xué)前沿，將高性能科學(xué)計(jì)算應(yīng)用在攻克數(shù)理科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、工程與材料科學(xué)、信息科學(xué)、醫(yī)學(xué)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)難題中。
該重大研究計(jì)劃專家組第一任組長（由于工作變動(dòng)，該計(jì)劃后兩年由陳志明院士擔(dān)任組長）、北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所研究員、中國科學(xué)院院士江松告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“在100多個(gè)團(tuán)隊(duì)和1000多名研究人員的共同努力下，我國高性能科學(xué)計(jì)算逐步向國際科學(xué)前沿靠攏。”
“架橋梁”需要幾步？
數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是重大技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)，主要依靠可計(jì)算建模與基礎(chǔ)算法發(fā)揮作用，解決實(shí)際問題。然而，長期以來，基礎(chǔ)算法研究和實(shí)際問題解決的“兩張皮”現(xiàn)象突出。許多專家明白，這一現(xiàn)象的背后實(shí)際上存在科研人員的慣性思想，導(dǎo)致各自為政開展研究。
江松回憶：“2011年前后，專家們和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡稱自然科學(xué)基金委）數(shù)理科學(xué)部管理者經(jīng)過多次研討一致認(rèn)為，給基礎(chǔ)算法研究和解決科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶋H問題這兩個(gè)環(huán)節(jié)‘架橋梁’已經(jīng)迫在眉睫。”
正是在這樣的背景下，2011年，自然科學(xué)基金委啟動(dòng)重大研究計(jì)劃“高性能科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)算法與可計(jì)算建模”，組建了由10位科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的多學(xué)科專家和10位管理專家組成的指導(dǎo)專家組和管理工作組。
在“架橋梁”的共識(shí)基礎(chǔ)上，專家組和管理組將“問題導(dǎo)向”視為實(shí)施該重大研究計(jì)劃的首要落腳點(diǎn)。
“在核心科學(xué)問題的設(shè)計(jì)上，專家組和管理組把‘頂天和立地’作為目標(biāo)。”江松告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“在立足于國際學(xué)科前沿開展基礎(chǔ)算法研究的同時(shí)，也要面向國家重大需求中的科學(xué)計(jì)算難題提出解決方案，進(jìn)行可計(jì)算建模研究。”
具體實(shí)施過程中，“架橋梁”工程通過3步進(jìn)行。第一步，尋找“橋墩”。他們在數(shù)值計(jì)算的共性高效算法、基于機(jī)理與數(shù)據(jù)的可計(jì)算建模、問題驅(qū)動(dòng)的高性能計(jì)算與算法評價(jià)3個(gè)層面廣泛進(jìn)行項(xiàng)目培育。第二步，“擰緊螺絲”、組合“結(jié)構(gòu)”，即選取重點(diǎn)支持項(xiàng)目開展組合研究。第三步，建好“橋面”，通過集成基礎(chǔ)算法、可計(jì)算建模、極端條件下的物理現(xiàn)象、生物信息與疾病、大氣與反問題和共性算法的高效實(shí)現(xiàn)等6大項(xiàng)目群，以解決一大批實(shí)際問題。
正是在上述總體思路的指導(dǎo)下，該重大研究計(jì)劃取得了許多解決“兩張皮”問題的代表性成果。例如，圍繞在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)可控核聚變，科研人員設(shè)計(jì)多個(gè)有效算法并將其應(yīng)用于我國神光III激光裝置的黑腔、內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析等物理研究工作，實(shí)現(xiàn)用算法模擬核聚變過程。圍繞精準(zhǔn)預(yù)測航天器回程落點(diǎn)，科研人員開展巨型計(jì)算機(jī)高效計(jì)算實(shí)現(xiàn)航天器再入全流域超大規(guī)模計(jì)算與應(yīng)用驗(yàn)證研究，成功應(yīng)用在天宮一號、天宮二號等返回任務(wù)中，將位置預(yù)測的偏差降低到米量級，提前鎖定解體殘骸碎片落區(qū)散布范圍。此外，研究成果還應(yīng)用在致密油氣藏地震資料、冷凍電鏡技術(shù)、集成電路等領(lǐng)域，極大促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。
2020年底，該重大研究計(jì)劃結(jié)題時(shí)，全體專家組和管理工作組成員欣慰地看到，重大研究計(jì)劃實(shí)施的十年里，我國高性能科學(xué)計(jì)算研究取得了跨越式發(fā)展，有力推動(dòng)解決了前沿科學(xué)研究和國家重大需求提出的計(jì)算難題，“兩張皮”問題得以初步解決。
給科學(xué)家團(tuán)隊(duì)“做媒”
在重大研究計(jì)劃實(shí)施的十年里，眾多專家組成員跑遍全國各地100多個(gè)項(xiàng)目組，在進(jìn)行監(jiān)督考察、指導(dǎo)評價(jià)工作之外，為各課題組“做媒”成為他們工作的重中之重。
以數(shù)學(xué)為統(tǒng)籌解決實(shí)際科學(xué)問題中的計(jì)算難題，必須進(jìn)行跨學(xué)科的深度交叉。得益于高性能科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)算法和可計(jì)算建模研究，在重大研究計(jì)劃最終集成的6個(gè)項(xiàng)目群里，產(chǎn)生了從問題到算法的大批優(yōu)秀成果。
從選取基于問題的項(xiàng)目培育開始，專家組就一直以“牽線搭橋”方式促進(jìn)多個(gè)不同學(xué)科之間的交叉融合，在項(xiàng)目資助中廣泛匹配，給互不相識(shí)但研究符合問題解決方向的課題組相互“介紹對象”。同時(shí)，管理組在基金政策和組織形式方面給予大力指導(dǎo)和支持，以保證交叉合作的順利推進(jìn)。
湖南師范大學(xué)劉紅榮團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)和北京大學(xué)的圖像處理算法團(tuán)隊(duì)的合作就是一段“佳話”。2015年，專家組發(fā)現(xiàn)，劉紅榮團(tuán)隊(duì)在前期項(xiàng)目培育階段已經(jīng)在“靜態(tài)生物體”相關(guān)研究中取得具有國際領(lǐng)先水平的重要成果。在一次交流中，劉紅榮向?qū)＜医M表示，動(dòng)態(tài)過程圖像處理算法不足，限制了他們的進(jìn)一步研究。
專家組“秒懂”了劉紅榮的難處。他們馬上聯(lián)系到該重大研究計(jì)劃資助的圖像處理算法團(tuán)隊(duì)，將三個(gè)團(tuán)隊(duì)合并為集成項(xiàng)目。
最終，集成團(tuán)隊(duì)在冷凍電鏡生物大分子活性動(dòng)態(tài)三維重構(gòu)算法基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究方面取得突出進(jìn)展，形成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維重構(gòu)軟件，初步發(fā)展了超大型生命分子機(jī)器的全原子動(dòng)力學(xué)重建新方法。相關(guān)成果發(fā)表于《自然》《自然—通訊》等國際期刊上。
不僅如此，據(jù)江松介紹，專家組還把已經(jīng)在“談戀愛”、有相關(guān)合作的項(xiàng)目推進(jìn)“婚姻殿堂”，甚至還推動(dòng)不同大項(xiàng)目之間的“聯(lián)姻”，共同集成大方向下的核心科學(xué)成果。
“冷板凳”怎么坐“熱”？
數(shù)學(xué)是人類利用科學(xué)手段探索自然的基礎(chǔ)工具，自由探索型基礎(chǔ)數(shù)學(xué)研究和目標(biāo)導(dǎo)向型應(yīng)用數(shù)學(xué)研究是其兩個(gè)主要研究類別。和快速做出成果的應(yīng)用數(shù)學(xué)研究不同，基礎(chǔ)數(shù)學(xué)研究往往意味著研究人員可能坐上了長期沒有成果的“冷板凳”。
2018年以來，國家及相關(guān)部門陸續(xù)制定多份文件強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究的重要性，將數(shù)學(xué)置于重要地位，明確指出“數(shù)學(xué)實(shí)力的提高往往意味著國家實(shí)力的增強(qiáng)”。
作為我國第一個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)科的重大研究計(jì)劃，以數(shù)學(xué)學(xué)科為引領(lǐng)的諸多研究成果實(shí)實(shí)在在地被用于多項(xiàng)科學(xué)問題的解決，讓數(shù)學(xué)真正成為基礎(chǔ)科學(xué)中的基礎(chǔ)，成為把“冷板凳”坐“熱”的典范。
在專家們看來，重大研究計(jì)劃的實(shí)施也為應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科發(fā)展提供了可參考的經(jīng)驗(yàn)。江松認(rèn)為，數(shù)學(xué)學(xué)科自由探索型的基礎(chǔ)研究往往做出“從0到1”的突破，繼而改變整個(gè)科學(xué)界的發(fā)展范式；而目標(biāo)導(dǎo)向的應(yīng)用型基礎(chǔ)研究則是對突破后新范式的無限延伸發(fā)展，將新的基礎(chǔ)研究成果廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和社會(huì)各行各業(yè)解決實(shí)際問題。“兩手抓，兩手硬。”他強(qiáng)調(diào)。
近年來，自然科學(xué)基金深化改革的重要舉措之一是明確資助導(dǎo)向，將科學(xué)問題屬性分為4類，即鼓勵(lì)探索、突出原創(chuàng)；聚焦前沿、獨(dú)辟蹊徑；需求牽引、突破瓶頸；共性導(dǎo)向、交叉融通。在此基礎(chǔ)上，對于不同科學(xué)問題屬性的分類評審工作也逐步推進(jìn)。
江松告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“新的資助導(dǎo)向?qū)⒏淖儗?shù)學(xué)研究的評價(jià)，避免‘一刀切’。而評價(jià)將進(jìn)一步作為開展數(shù)學(xué)研究的‘指揮棒’，引領(lǐng)科研工作。”例如，自由探索型的數(shù)學(xué)研究解決問題時(shí)間長、所需投入少，需要更持久、更有耐心的投入，而大工程式作業(yè)的應(yīng)用型數(shù)學(xué)研究涉及不同學(xué)科的交叉融合，涉及人員多、投入大、問題明確、時(shí)間緊，則更需要大手筆、考核標(biāo)準(zhǔn)明確的科研投入和考核機(jī)制。
讓優(yōu)秀人才脫穎而出
該重大研究計(jì)劃為我國高性能科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域培養(yǎng)出一大批學(xué)術(shù)中堅(jiān)力量。
從啟動(dòng)到落幕的十年里，經(jīng)歷過培育項(xiàng)目—重點(diǎn)支持項(xiàng)目—集成項(xiàng)目三輪資助的各個(gè)項(xiàng)目群里誕生了一批突出/突破成果，高性能科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的學(xué)術(shù)新手們在這里和重大研究計(jì)劃一起，走出了自己的學(xué)術(shù)成長之路。
北京大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授楊超就是代表之一。2011年，時(shí)任中國科學(xué)院軟件研究所副研究員的楊超申請項(xiàng)目入選第一批培育項(xiàng)目，隨后又進(jìn)一步獲得重大研究計(jì)劃的集成項(xiàng)目支持。在重大研究計(jì)劃的持續(xù)資助下，楊超與合作者在異構(gòu)區(qū)域分裂算法領(lǐng)域陸續(xù)取得突破，應(yīng)用成果問鼎2016年的戈登貝爾獎(jiǎng)。這是29年來國際高性能科學(xué)計(jì)算的“第一梯隊(duì)”中，首次有了中國學(xué)者的身影。此后，在該重大研究計(jì)劃的支持下，我國又先后于2017年和2020年兩次問鼎該獎(jiǎng)。
2016年，楊超（左四）登上戈登貝爾獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。此后，在該重大研究計(jì)劃的支持下，我國先后于2017年和2020年兩次問鼎該獎(jiǎng)。 科學(xué)網(wǎng) 圖
如今，楊超已成長為該領(lǐng)域的青年學(xué)術(shù)帶頭人。“重大研究計(jì)劃圍繞一個(gè)共同目標(biāo)把研究人員集中起來，是一種有組織的基礎(chǔ)研究，成效非常之好，這種模式對于應(yīng)用基礎(chǔ)研究有很強(qiáng)的推動(dòng)作用，值得持續(xù)開展。”楊超告訴《中國科學(xué)報(bào)》。據(jù)了解，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，5名項(xiàng)目負(fù)責(zé)人被增選為中國科學(xué)院院士、11人獲得國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助，通過重大研究計(jì)劃“聯(lián)姻”的許多課題組還在繼續(xù)合作開展更進(jìn)一步的研究，大批研究生進(jìn)入相關(guān)院校和科研單位，眾多年輕學(xué)者加入了高性能科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的研究……
未來，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、百億次計(jì)算以及大氣海洋環(huán)境模擬等前沿課題將成為高性能科學(xué)計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展的重要方向。“面向國家重大需求，搶占計(jì)算科學(xué)發(fā)展的國際制高點(diǎn)，在國際新形勢下發(fā)展自主科學(xué)與工程計(jì)算軟件是中國高性能科學(xué)計(jì)算不變的目標(biāo)和希冀。”江松告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
（原標(biāo)題：十年一劍！數(shù)學(xué)如何牽住科學(xué)計(jì)算的“牛鼻子”？ ——記國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“高性能科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)算法與可計(jì)算建模”）
關(guān)鍵詞： 十年一劍 數(shù)學(xué) 如何 牽住
