Uusi SIAM-raportti tutkii laskennallisen tieteen tulevaisuuden haasteita » CCC-blogi

Uusi SIAM-raportti tutkii laskennallisen tieteen tulevaisuuden haasteita » CCC-blogi

Aikaleima: 29. maaliskuuta 2024 12

Vuonna 2023 CRA:n ammattiyhdistyksen jäsen Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM) tilasi työryhmän laatimaan strategisen vision laskennallisen tieteen tulevaisuuden haasteille. Aiemmin tässä kuussa työryhmä julkaisi raporttinsa, jonka otsikko on Laskennallisen tieteen tulevaisuus. CCC on innoissaan voidessaan korostaa tämän raportin tärkeyttä ja ajantasaisuutta, ja monet teemat vahvistetaan visiotoiminnassamme ja raporteissamme. 

Kuten raportissa mainitaan, Yhdysvallat oli kiistaton edelläkävijä edistyneen laskennan ja laskennallisen tieteen alalla. Työryhmä toteaa, että viime vuosina strategiset kilpailijat ovat haastaneet johtajuuden. Future of Computational Science -raportti luotiin tarkastelemaan tapoja voittaa merkittäviä haasteita, jotta voidaan varmistaa Yhdysvaltojen jatkuva johtajuus.

Tämä raportti korostaa tieteidenvälisen yhteistyön kasvavaa merkitystä. Laskennallisen tieteen läpimurtoja syntyy usein eri alojen asiantuntijoiden yhteistyöstä, mikä edistää innovaatioita ja edistää kehitystä.

Laskennallisten tutkijoiden seuraavan sukupolven kasvattaminen on myös olennaista tietojenkäsittelyalan kehityksen ylläpitämiseksi. Olisi oltava vankkoja koulutusohjelmia ja työvoiman kehittämisaloitteita, jotta tuleville sukupolville voidaan antaa taidot, joita tarvitaan uusien haasteiden ratkaisemiseksi.

Muut asiat korostavat laskennallisen tutkimuksen eettisiä vaikutuksia ja puoltavat vastuullisia käytäntöjä, avoimuutta ja vastuullisuutta sen varmistamiseksi, että teknologiset edistysaskeleet hyödyttävät koko yhteiskuntaa.

Innovaatiot ja löydöt, yhteiskunnalliset vaikutukset ja globaalit haasteet

Useat tämän raportin osa-alueet valaisevat kolmea asiaa: 

Innovaatiot ja löytö: Edistämällä tieteidenvälistä yhteistyötä ja omaksumalla uusia teknologioita laskennalliset tutkijat voivat avata uusia tietämyksen rajoja ja edistää innovaatioita eri aloilla.

Yhteiskunnallinen vaikutus: Laskennallisen tieteen edistyessä sen vaikutus yhteiskuntaan vain kasvaa. Eettiset näkökohdat on asetettava etusijalle, jotta varmistetaan, että teknologiset edistysaskeleet toteutetaan vastuullisesti ja tasapuolisesti.

Globaalit haasteet: Ilmastonmuutoksesta terveydenhuoltoon, kyberturvallisuuteen ja muuhunkin, laskennallisella tieteellä on keskeinen rooli globaaleihin haasteisiin vastaamisessa. Laskennallisia työkaluja ja tekniikoita hyödyntämällä tutkijat voivat kehittää ratkaisuja monimutkaisiin ongelmiin, jotka vaikuttavat koko ihmiskuntaan.

Raportin keskeisiä havaintoja ovat:

  1. Laskennallisten tutkijoiden ja rahoittajien tulisi keskittyä kattavampien laskennallisten tieteen ohjelmien perustamiseen. Tämä tarkoittaa varojen, henkilöstön ja infrastruktuurin osoittamista tieteellisen tutkimuksen ja ongelmanratkaisun tukemiseen laskennallisia menetelmiä käyttäen. Yksi ohjelma sisältää energiaministeriön (DOE) Exascale Computing Projectin, joka sijaitsee Oak Ridge National Laboratoryssa. Tämän projektin tarkoituksena on valmistaa tutkijoita ja laskentalaitteita exascale-tasolle, superlaskentaan, joka pystyy suorittamaan vähintään yhden exaFLOPS-liukulukulaskelman sekunnissa ja tukemaan laajoja työkuormia. Jotta ECP-teknologiaa ja tulevaa laitteistoa voitaisiin hyödyntää täysimääräisesti, ohjelman on edistyttävä sekä sovelletussa matematiikassa että tietojenkäsittelytieteessä. Tämä voi sisältää algoritmien, numeeristen menetelmien ja ohjelmistotyökalujen kehittämisen, jotka on optimoitu suorituskykyisiä laskentaympäristöjä varten.
  2. Nykyisten edistysten hyödyntämisen lisäksi Exascale Computing -ohjelman tulisi ennakoida ja valmistautua tulevaan kehitykseen korkean suorituskyvyn laskennassa. Tähän sisältyy investoiminen tutkimukseen ja kehitykseen tulevien laitteistoparannusten hyödyntämiseksi. Yhteistyötä korostetaan onnistumisen kannalta välttämättömänä. Ohjelman tulisi edistää kumppanuuksia soveltavien matemaatikoiden, tietojenkäsittelytieteilijöiden ja sovellustieteilijöiden välillä. Tämä monialainen lähestymistapa varmistaa, että laskennalliset ratkaisut räätälöidään tehokkaasti vastaamaan kriittisiin kansallisiin haasteisiin eri aloilla.
  3. Kansakunta vaatii kattavan investointijoukon varmistaakseen korkean suorituskyvyn laskentateknologioiden jatkuvan kehityksen. Tärkeää on paitsi saavuttaa eksamittakaavallinen laskenta, myös varmistaa, että tällaisten ominaisuuksien kehitys jatkuu edelleen vastaamaan maan jatkuvia ja muuttuvia vaatimuksia edistyneen laskennallisen tieteen alalla.
  4. Vaihtoehtoisiin laskentateknologioihin, kuten neuromorfiseen ja kvanttilaskentaan, investoiminen on välttämätöntä, jotta voidaan vastata merkittäviin tulevaisuuden haasteisiin, joihin perinteiset tietokonearkkitehtuurit eivät ehkä pysty. Neuromorfinen tietojenkäsittely on saanut inspiraationsa ihmisen aivojen rakenteesta ja toiminnasta. Sen tavoitteena on kehittää aivojen hermoverkkoja jäljitteleviä tietokonejärjestelmiä, jotka mahdollistavat tehokkaamman ja joustavamman tiedonkäsittelyn erityisesti hahmontunnistukseen, oppimiseen ja sopeutumiseen liittyvissä tehtävissä. Kvanttilaskenta hyödyntää kvanttimekaniikan periaatteita laskelmien suorittamisessa. Kvanttitietokoneilla on potentiaalia ratkaista tietyntyyppisiä ongelmia eksponentiaalisesti nopeammin kuin klassiset tietokoneet, erityisesti sellaisilla aloilla kuin kryptografia, optimointi ja simulointi.
  5. Teknologian kehittyessä tieteelliset laitteet ja laitteet tuottavat yhä suurempia ja monimutkaisempia tietokokonaisuuksia. Edistyäkseen eteenpäin tutkijat tarvitsevat pääsyn näihin valtaviin tietomääriin. Tämä edellyttää kuitenkin merkittäviä investointeja infrastruktuuriin, resursseihin ja teknologiaan, jotta nämä tietovirrat voidaan kerätä, hallita, analysoida ja tulkita tehokkaasti. 
  6. Tekoälyllä ja koneoppimisella on merkittävää potentiaalia mullistaa tieteellisiä tutkimusprosesseja. Nämä tekniikat voivat parantaa tutkimuksen eri näkökohtia, mukaan lukien data-analyysi, hahmontunnistus ja hypoteesien luominen. Näiden mahdollisuuksien täysimittainen hyödyntäminen vaatii kuitenkin huomattavia investointeja matematiikkaan ja tietojenkäsittelyyn.

Risteys viimeaikaisten CCC-aloitteiden kanssa

Tämä raportti vahvistaa joitakin aiheita, joista CCC on kiinnostunut tai joiden parissa työskentelee, kuten Full Stack Task Force. Tämä työryhmä keskittyy kaikkeen, mikä menee tietokonejärjestelmään, ja siihen, miten nämä tekniikat toimivat käyttäjien ja kehittäjien kanssa. Keskustelut eksaskaalaisesta laskennasta, kvantti- ja neuromorfisesta laskennasta ovat joukossa monia keskusteluja ryhmässä. Itse asiassa yksi Full Stack Task Force -työryhmän jäsenistä, Bill Gropp Illinoisin yliopistosta Urbana-Champaignissa, palvelee CCC:n neuvostossa ja on asiantuntija exascale-laskennassa, jossa hän työskentelee tämän tekniikan parissa. 

Tapahtumilla, kuten The Community Driven Approaches to Research in Technology & Society (CDARTS) -työpajalla, on samat tavoitteet kuin tällä raportilla tuoda yhteen tietotekniikan tutkijat ja yhteisöt, joihin tekoälyjärjestelmien vaikutukset vaikuttavat. CDARTS-työpaja pohtii, kuinka tietojenkäsittelytutkimus voi tukea heidän tarpeitaan ja parhaita käytäntöjä yhteistyölle.

CCC on myös juuri saanut päätökseen kuuden pyöreän pöydän sarjan tieteidenvälisten parhaiden käytäntöjen luomisesta laskennalliseen tutkimukseen, mikä liittyy raportin lukuisiin mainintaan poikkitieteellisen yhteistyön kiireellisestä tarpeesta. CCC julkaisee CRA:n kanssa yhteisen raportin aiheesta lähikuukausina.

CRA ja SIAM ovat yhteydessä monin tavoin. SIAM Task Force -työryhmän puheenjohtaja Bruce Hendrickson Lawrence Livermore National Laboratorysta oli juuri valittiin CRA:n hallitukseen. Mary Hall, Utahin yliopiston tietojenkäsittelylaitoksen johtaja, on myös työskennellyt työryhmässä ja on CRA:n hallituksessa samalla kun hän toimii CRA:n toimeenpanevassa komiteassa. Lue koko SIAM Task Force -raportti tätä.

Aikaleima:

Lisää aiheesta CCC blogi