Neuer SIAM-Bericht untersucht die Herausforderungen der Zukunft der Computerwissenschaft » CCC-Blog

Im Jahr 2023 beauftragte die Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM), ein angeschlossenes Fachverbandsmitglied der CRA, eine Task Force mit der Ausarbeitung einer strategischen Vision für die kommenden Herausforderungen in der Zukunft der Informatik. Anfang dieses Monats veröffentlichte die Task Force ihren Bericht mit dem Titel Die Zukunft der Computerwissenschaft. CCC freut sich, die Bedeutung und Aktualität dieses Berichts hervorzuheben, in dem viele Themen durch unsere visionären Aktivitäten und Berichte bestätigt werden. 

Wie im Bericht erwähnt, waren die Vereinigten Staaten unbestritten führend in der fortgeschrittenen Informatik und der Computerwissenschaft. Die Task Force gibt an, dass diese Führung in den letzten Jahren von strategischen Rivalen in Frage gestellt wurde. Der Bericht „Future of Computational Science“ wurde erstellt, um Wege zur Bewältigung erheblicher Herausforderungen aufzuzeigen, um die Führungsrolle der USA weiterhin sicherzustellen.

Dieser Bericht betont die zunehmende Bedeutung der interdisziplinären Zusammenarbeit. Durchbrüche in der Computerwissenschaft entstehen oft durch die Zusammenarbeit zwischen Experten aus verschiedenen Bereichen, die Innovationen fördert und den Fortschritt vorantreibt.

Auch die Förderung der nächsten Generation von Computerwissenschaftlern ist für den nachhaltigen Fortschritt im Computerbereich von entscheidender Bedeutung. Es sollte solide Bildungsprogramme und Initiativen zur Personalentwicklung geben, um zukünftige Generationen mit den Fähigkeiten auszustatten, die sie für die Bewältigung neuer Herausforderungen benötigen.

Andere Beiträge beleuchten die ethischen Implikationen der Computerforschung und plädieren für verantwortungsvolle Praktiken, Transparenz und Rechenschaftspflicht, um sicherzustellen, dass technologische Fortschritte der Gesellschaft als Ganzes zugute kommen.

Innovation und Entdeckung, gesellschaftliche Auswirkungen und globale Herausforderungen

Mehrere Bereiche in diesem Bericht beleuchten drei Punkte: 

Innovation und Entdeckung: Durch die Förderung der interdisziplinären Zusammenarbeit und die Nutzung neuer Technologien können Informatiker neue Wissensgrenzen erschließen und Innovationen in verschiedenen Bereichen vorantreiben.

Gesellschaftliche Auswirkungen: Da die Computerwissenschaft weiter voranschreitet, wird ihr Einfluss auf die Gesellschaft nur noch zunehmen. Ethische Überlegungen müssen Vorrang haben, um sicherzustellen, dass technologische Fortschritte verantwortungsvoll und gerecht umgesetzt werden.

Globale Herausforderungen: Vom Klimawandel über das Gesundheitswesen bis hin zur Cybersicherheit und darüber hinaus spielt die Computerwissenschaft eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung globaler Herausforderungen. Durch den Einsatz rechnerischer Werkzeuge und Techniken können Forscher Lösungen für komplexe Probleme entwickeln, die die gesamte Menschheit betreffen.

Zu den wichtigsten Ergebnissen des Berichts gehören:

1. Informatikforscher und Förderagenturen sollten sich auf die Einrichtung umfassenderer computerwissenschaftlicher Programme konzentrieren. Das bedeutet, Mittel, Personal und Infrastruktur bereitzustellen, um die wissenschaftliche Forschung und Problemlösung mithilfe rechnerischer Methoden zu unterstützen. Ein Programm umfasst das Exascale Computing Project des Department of Energy (DOE), das am Oak Ridge National Laboratory angesiedelt ist. Ziel dieses Projekts ist es, Wissenschaftler und Recheneinrichtungen auf Exascale vorzubereiten, eine Ebene des Supercomputings, die mindestens eine exaFLOPS-Gleitkommaberechnung pro Sekunde durchführen kann, um umfangreiche Arbeitslasten zu unterstützen. Um die ECP-Technologie und zukünftige Hardware vollständig nutzen zu können, muss das Programm Fortschritte sowohl in der angewandten Mathematik als auch in der Informatik erzielen. Dies könnte die Entwicklung von Algorithmen, numerischen Methoden und Softwaretools umfassen, die für Hochleistungsrechnerumgebungen optimiert sind.
2. Das Exascale Computing-Programm soll nicht nur aktuelle Fortschritte nutzen, sondern auch zukünftige Entwicklungen im Hochleistungsrechnen antizipieren und sich darauf vorbereiten. Dazu gehört auch die Investition in Forschung und Entwicklung, um von bevorstehenden Hardware-Verbesserungen zu profitieren. Zusammenarbeit wird als wesentlich für den Erfolg hervorgehoben. Das Programm soll Partnerschaften zwischen angewandten Mathematikern, Informatikern und Anwendungswissenschaftlern fördern. Dieser multidisziplinäre Ansatz stellt sicher, dass Computerlösungen effektiv auf die Bewältigung kritischer nationaler Herausforderungen in verschiedenen Bereichen zugeschnitten sind.
3. Das Land benötigt umfassende Investitionen, um die nachhaltige Weiterentwicklung von Hochleistungsrechnertechnologien zu gewährleisten. Es ist nicht nur wichtig, Exascale-Computing zu erreichen, sondern auch sicherzustellen, dass die Entwicklung solcher Fähigkeiten weiter vorangetrieben wird, um den laufenden und sich ändernden Anforderungen des Landes im Bereich der fortgeschrittenen Computerwissenschaft gerecht zu werden.
4. Investitionen in alternative Computertechnologien wie neuromorphes Computing und Quantencomputing sind unerlässlich, um in Zukunft bedeutende Herausforderungen zu bewältigen, die herkömmliche Computerarchitekturen möglicherweise nicht bewältigen können. Neuromorphic Computing ist von der Struktur und Funktionsweise des menschlichen Gehirns inspiriert. Ziel ist die Entwicklung von Computersystemen, die die neuronalen Netze des Gehirns nachahmen und eine effizientere und flexiblere Verarbeitung von Informationen ermöglichen, insbesondere bei Aufgaben im Zusammenhang mit Mustererkennung, Lernen und Anpassung. Quantencomputing nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen. Quantencomputer haben das Potenzial, bestimmte Arten von Problemen exponentiell schneller zu lösen als klassische Computer, insbesondere in Bereichen wie Kryptographie, Optimierung und Simulation.
5. Mit fortschreitender Technologie generieren wissenschaftliche Instrumente und Einrichtungen immer größere und komplexere Datensätze. Um weiter voranzukommen, benötigen Wissenschaftler Zugriff auf diese riesigen Datenmengen. Dies erfordert jedoch erhebliche Investitionen in Infrastruktur, Ressourcen und Technologie, um diese Datenströme effektiv zu sammeln, zu verwalten, zu analysieren und zu interpretieren. 
6. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen haben großes Potenzial, wissenschaftliche Forschungsprozesse zu revolutionieren. Diese Technologien können verschiedene Aspekte der Forschung verbessern, darunter Datenanalyse, Mustererkennung und Hypothesengenerierung. Um diese Möglichkeiten voll auszuschöpfen, sind jedoch erhebliche Investitionen in Mathematik und Informatik erforderlich.

Schnittpunkt mit jüngsten CCC-Initiativen

Dieser Bericht unterstreicht einige der Themen, an denen das CCC interessiert ist oder an denen es arbeitet, beispielsweise die Full Stack Task Force. Diese Task Force konzentriert sich auf alles, was in ein Computersystem einfließt, und darauf, wie diese Technologien mit Benutzern und Entwicklern interagieren. Zu den zahlreichen Diskussionen in der Gruppe gehören Gespräche über Exascale-Computing, Quanten- und neuromorphes Computing. Tatsächlich ist Bill Gropp von der University of Illinois in Urbana-Champaign, eines der Mitglieder der Full Stack Task Force, Mitglied des CCC-Rates und Experte für Exascale-Computing, wo er an dieser Technologie arbeitet. 

Veranstaltungen wie der Workshop „Community Driven Approaches to Research in Technology & Society“ (CDARTS) verfolgen ähnliche Ziele wie dieser Bericht, um Computerforscher und die von den Auswirkungen von KI-Systemen betroffenen Gemeinden zusammenzubringen. Der CDARTS-Workshop befasste sich mit der Frage, wie die Computerforschung ihre Bedürfnisse und Best Practices für die Zusammenarbeit unterstützen kann.

Das CCC hat außerdem gerade eine aus sechs Runden bestehende Reihe zur Etablierung interdisziplinärer Best Practices für die Computerforschung abgeschlossen, was für die zahlreichen Erwähnungen im Bericht über die dringende Notwendigkeit interdisziplinärer Zusammenarbeit relevant ist. CCC wird in den kommenden Monaten einen gemeinsamen Bericht mit CRA zu diesem Thema veröffentlichen.

CRA und SIAM sind in vielerlei Hinsicht miteinander verbunden. Der Vorsitzende der SIAM-Task Force, Bruce Hendrickson vom Lawrence Livermore National Laboratory, war gerade dabei gewählt an den CRA-Vorstand. Mary Hall, Direktorin der School of Computing an der University of Utah, war ebenfalls Mitglied der Task Force und gehört dem CRA-Vorstand sowie dem Exekutivkomitee der CRA an. Lesen Sie den vollständigen Bericht der SIAM Task Force hier.

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