Il nuovo rapporto SIAM esplora le sfide del futuro della scienza computazionale » Blog CCC

Nel 2023, la Società per la matematica industriale e applicata (SIAM), una società professionale affiliata al CRA, ha incaricato una task force di elaborare una visione strategica per le sfide emergenti nel futuro della scienza computazionale. All'inizio di questo mese, la task force ha pubblicato il suo rapporto, intitolato Il futuro della scienza computazionale. CCC è entusiasta di sottolineare l'importanza e la tempestività di questo rapporto in cui molti temi sono confermati dalle nostre attività e rapporti di visione. 

Come citato nel rapporto, gli Stati Uniti erano il leader indiscusso nell’informatica avanzata e nella scienza computazionale. La task force afferma che negli ultimi anni tale leadership è stata messa in discussione da rivali strategici. Il rapporto Future of Computational Science è stato creato per affrontare le modalità con cui superare sfide significative per garantire la continuità della leadership degli Stati Uniti.

Questo rapporto sottolinea la crescente importanza della collaborazione interdisciplinare. Le scoperte nella scienza computazionale spesso nascono dalla collaborazione tra esperti di diversi settori, che promuove l’innovazione e guida il progresso.

Anche coltivare la prossima generazione di scienziati computazionali è essenziale per sostenere il progresso nel campo informatico. Dovrebbero esserci solidi programmi educativi e iniziative di sviluppo della forza lavoro per fornire alle generazioni future le competenze necessarie per affrontare le sfide emergenti.

Altri elementi evidenziano le implicazioni etiche della ricerca computazionale, sostenendo pratiche responsabili, trasparenza e responsabilità per garantire che i progressi tecnologici portino benefici alla società nel suo complesso.

Innovazione e scoperta, impatto sociale e sfide globali

Diverse aree di questo rapporto mettono in luce tre punti: 

Innovazione e scoperta: promuovendo la collaborazione interdisciplinare e abbracciando le tecnologie emergenti, gli scienziati computazionali possono sbloccare nuove frontiere della conoscenza e guidare l’innovazione in vari settori.

Impatto sulla società: man mano che la scienza computazionale continua ad avanzare, il suo impatto sulla società non potrà che aumentare. Le considerazioni etiche devono avere la priorità per garantire che i progressi tecnologici siano stabiliti in modo responsabile ed equo.

Sfide globali: dal cambiamento climatico all’assistenza sanitaria, alla sicurezza informatica e oltre, la scienza computazionale ha un ruolo fondamentale da svolgere nell’affrontare le sfide globali. Sfruttando strumenti e tecniche computazionali, i ricercatori possono sviluppare soluzioni a problemi complessi che colpiscono l’umanità nel suo insieme.

I principali risultati del rapporto includono:

1. I ricercatori informatici e le agenzie di finanziamento dovrebbero concentrarsi sulla creazione di programmi di scienza computazionale più completi. Ciò significa dedicare fondi, personale e infrastrutture per supportare la ricerca scientifica e la risoluzione dei problemi utilizzando metodi computazionali. Un programma include il progetto Exascale Computing del Dipartimento dell'Energia (DOE), situato presso l'Oak Ridge National Laboratory. Questo progetto mira a preparare scienziati e strutture informatiche per l'exascale, un livello di supercalcolo in grado di eseguire almeno un calcolo in virgola mobile exaFLOPS al secondo per supportare carichi di lavoro espansivi. Per utilizzare appieno la tecnologia ECP e l'hardware futuro, il programma deve compiere progressi sia nella matematica applicata che nell'informatica. Ciò potrebbe comportare lo sviluppo di algoritmi, metodi numerici e strumenti software ottimizzati per ambienti informatici ad alte prestazioni.
2. Oltre a sfruttare i progressi attuali, l’Exascale Computing Program dovrebbe anticipare e preparare gli sviluppi futuri nel campo del calcolo ad alte prestazioni. Ciò include investimenti in ricerca e sviluppo per trarre vantaggio dai futuri miglioramenti hardware. La collaborazione è sottolineata come essenziale per il successo. Il programma dovrebbe promuovere partenariati tra matematici applicati, scienziati informatici e scienziati applicativi. Questo approccio multidisciplinare garantisce che le soluzioni computazionali siano efficacemente adattate per affrontare le sfide nazionali critiche in vari settori.
3. La nazione richiede una serie completa di investimenti per garantire il progresso sostenuto delle tecnologie informatiche ad alte prestazioni. È importante non solo raggiungere l’exascale computing, ma anche garantire che lo sviluppo di tali capacità si estenda ulteriormente per soddisfare le continue e mutevoli esigenze della nazione nel campo della scienza computazionale avanzata.
4. Investire in tecnologie informatiche alternative come il calcolo neuromorfico e quantistico è essenziale per affrontare sfide significative in futuro che le architetture informatiche convenzionali potrebbero non essere in grado di affrontare. Il calcolo neuromorfico si ispira alla struttura e al funzionamento del cervello umano. Mira a sviluppare sistemi informatici che imitano le reti neurali del cervello, consentendo un'elaborazione più efficiente e flessibile delle informazioni, in particolare nei compiti legati al riconoscimento di modelli, all'apprendimento e all'adattamento. L'informatica quantistica utilizza i principi della meccanica quantistica per eseguire calcoli. I computer quantistici hanno il potenziale per risolvere alcuni tipi di problemi in modo esponenzialmente più veloce rispetto ai computer classici, in particolare in aree come la crittografia, l’ottimizzazione e la simulazione.
5. Con l’avanzare della tecnologia, gli strumenti e le strutture scientifiche generano set di dati sempre più grandi e complessi. Per continuare a progredire, gli scienziati avranno bisogno di accedere a queste grandi quantità di dati. Tuttavia, ciò richiederà investimenti significativi in ​​infrastrutture, risorse e tecnologia per raccogliere, gestire, analizzare e interpretare in modo efficace questi flussi di dati. 
6. L’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico hanno un potenziale significativo per rivoluzionare i processi di ricerca scientifica. Queste tecnologie possono migliorare vari aspetti della ricerca, tra cui l’analisi dei dati, il riconoscimento di modelli e la generazione di ipotesi. Tuttavia, realizzare appieno queste opportunità richiederà investimenti sostanziali nella matematica e nell’informatica.

Intersezione con le recenti iniziative del CCC

Questo rapporto rafforza alcuni degli argomenti a cui CCC è interessato o su cui sta lavorando, come la Task Force Full Stack. Questa task force si concentra su tutto ciò che entra in un sistema informatico e su come queste tecnologie si interfacciano con utenti e sviluppatori. Le conversazioni sul calcolo a esascala, sul calcolo quantistico e neuromorfico sono tra le molte discussioni del gruppo. Infatti, uno dei membri della Full Stack Task Force, Bill Gropp dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, fa parte del consiglio di CCC ed è un esperto di calcolo a esascala, dove sta lavorando su questa tecnologia. 

Eventi come il workshop The Community Driven Approaches to Research in Technology & Society (CDARTS) condividono obiettivi simili a quelli di questo rapporto per riunire i ricercatori nel campo dell'informatica e le comunità colpite dagli impatti dei sistemi di intelligenza artificiale. Il workshop CDARTS ha affrontato il modo in cui la ricerca informatica può supportare le loro esigenze e le migliori pratiche di collaborazione.

CCC ha inoltre appena terminato una serie di 6 tavole rotonde sulla definizione delle migliori pratiche interdisciplinari per la ricerca informatica, il che è rilevante per le numerose menzioni nel rapporto sull'urgente necessità di collaborazioni interdisciplinari. CCC pubblicherà un rapporto congiunto con CRA sull'argomento nei prossimi mesi.

CRA e SIAM sono collegati in molti modi. Il presidente della task force SIAM Bruce Hendrickson del Lawrence Livermore National Laboratory era giusto eletto al consiglio di amministrazione del CRA. Anche Mary Hall, direttrice della School of Computing dell'Università dello Utah, ha fatto parte della task force e fa parte del consiglio di amministrazione della CRA, oltre a far parte del comitato esecutivo della CRA. Leggi il rapporto completo della Task Force SIAM qui.

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