Novo relatório SIAM explora os desafios que o futuro da ciência computacional enfrenta »CCC Blog

Em 2023, a Sociedade de Matemática Industrial e Aplicada (SIAM), uma sociedade profissional afiliada ao CRA, encomendou uma força-tarefa para elaborar uma visão estratégica para os desafios emergentes no futuro da ciência computacional. No início deste mês, a força-tarefa divulgou seu relatório, intitulado O futuro da ciência computacional. A CCC tem o prazer de destacar a importância e a atualidade deste relatório, no qual muitos temas são confirmados pelas nossas atividades e relatórios visionários. 

Conforme citado no relatório, os Estados Unidos eram o líder inquestionável em computação avançada e ciência computacional. A força-tarefa afirma que nos últimos anos essa liderança tem sido desafiada por rivais estratégicos. O relatório O Futuro da Ciência Computacional foi criado para abordar formas de superar desafios significativos para garantir a liderança contínua dos EUA.

Este relatório enfatiza a importância crescente da colaboração interdisciplinar. Os avanços na ciência computacional surgem frequentemente da colaboração entre especialistas de diversos domínios, o que promove a inovação e impulsiona o progresso.

Nutrir a próxima geração de cientistas computacionais também é essencial para sustentar o progresso no campo da computação. Deverão existir programas educativos robustos e iniciativas de desenvolvimento da força de trabalho para dotar as gerações futuras com as competências necessárias para enfrentar os desafios emergentes.

Outros itens destacam as implicações éticas da investigação computacional, defendendo práticas responsáveis, transparência e responsabilização para garantir que os avanços tecnológicos beneficiem a sociedade como um todo.

Inovação e descoberta, impacto social e desafios globais

Várias áreas deste relatório esclarecem três pontos: 

Inovação e Descoberta: Ao promover a colaboração interdisciplinar e abraçar tecnologias emergentes, os cientistas computacionais podem desbloquear novas fronteiras de conhecimento e impulsionar a inovação em vários domínios.

Impacto Social: À medida que a ciência computacional continua a avançar, o seu impacto na sociedade só aumentará. As considerações éticas devem ser priorizadas para garantir que os avanços tecnológicos sejam estabelecidos de forma responsável e equitativa.

Desafios Globais: Das alterações climáticas aos cuidados de saúde, à segurança cibernética e muito mais, a ciência computacional tem um papel vital a desempenhar na resposta aos desafios globais. Ao aproveitar ferramentas e técnicas computacionais, os pesquisadores podem desenvolver soluções para problemas complexos que afetam a humanidade como um todo.

As principais conclusões do relatório incluem:

1. Os investigadores da computação e as agências de financiamento devem concentrar-se no estabelecimento de programas de ciência computacional mais abrangentes. Isto significa dedicar fundos, pessoal e infraestrutura para apoiar a investigação científica e a resolução de problemas utilizando métodos computacionais. Um programa inclui o Projeto de Computação Exascale do Departamento de Energia (DOE), localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge. Este projeto busca preparar cientistas e instalações de computação para exascale, um nível de supercomputação capaz de calcular pelo menos um exaFLOPS de ponto flutuante por segundo para suportar cargas de trabalho expansivas. Para utilizar plenamente a tecnologia ECP e o hardware futuro, o programa deve fazer avanços tanto na matemática aplicada como na ciência da computação. Isto poderia envolver o desenvolvimento de algoritmos, métodos numéricos e ferramentas de software otimizadas para ambientes de computação de alto desempenho.
2. Além de aproveitar os avanços atuais, o Programa de Computação Exascale deverá antecipar e preparar-se para desenvolvimentos futuros na computação de alto desempenho. Isto inclui investir em pesquisa e desenvolvimento para capitalizar as futuras melhorias de hardware. A colaboração é enfatizada como essencial para o sucesso. O programa deverá promover parcerias entre matemáticos aplicados, cientistas da computação e cientistas de aplicações. Esta abordagem multidisciplinar garante que as soluções computacionais sejam eficazmente adaptadas para enfrentar desafios nacionais críticos em vários domínios.
3. A nação requer um conjunto abrangente de investimentos para garantir o avanço sustentado das tecnologias de computação de alto desempenho. É importante não apenas alcançar a computação em exaescala, mas também garantir que o desenvolvimento de tais capacidades se estenda ainda mais para atender às necessidades contínuas e em mudança do país no campo da ciência computacional avançada.
4. Investir em tecnologias de computação alternativas, como a computação neuromórfica e quântica, é essencial para enfrentar desafios significativos no futuro que as arquiteturas de computadores convencionais talvez não consigam enfrentar. A computação neuromórfica é inspirada na estrutura e no funcionamento do cérebro humano. Tem como objetivo desenvolver sistemas informáticos que imitem as redes neurais do cérebro, permitindo um processamento de informação mais eficiente e flexível, nomeadamente em tarefas relacionadas com reconhecimento de padrões, aprendizagem e adaptação. A computação quântica utiliza os princípios da mecânica quântica para realizar cálculos. Os computadores quânticos têm o potencial de resolver certos tipos de problemas de forma exponencialmente mais rápida do que os computadores clássicos, particularmente em áreas como criptografia, otimização e simulação.
5. À medida que a tecnologia avança, os instrumentos e instalações científicas geram conjuntos de dados cada vez maiores e complexos. Para continuar avançando, os cientistas precisarão de acesso a essas vastas quantidades de dados. No entanto, isso exigirá investimentos significativos em infraestruturas, recursos e tecnologia para recolher, gerir, analisar e interpretar eficazmente estes fluxos de dados. 
6. A inteligência artificial e a aprendizagem automática têm um potencial significativo para revolucionar os processos de investigação científica. Essas tecnologias podem aprimorar vários aspectos da pesquisa, incluindo análise de dados, reconhecimento de padrões e geração de hipóteses. Contudo, a plena concretização destas oportunidades exigirá investimentos substanciais em matemática e computação.

Interseção com iniciativas recentes do CCC

Este relatório reforça alguns dos tópicos nos quais o CCC está interessado ou trabalhando, como a Força-Tarefa Full Stack. Essa força-tarefa se concentra em tudo o que acontece em um sistema de computador e em como essas tecnologias interagem com usuários e desenvolvedores. Conversas sobre computação em exaescala, computação quântica e neuromórfica estão entre as muitas discussões no grupo. Na verdade, um dos membros da Força-Tarefa Full Stack, Bill Gropp, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, atua no conselho do CCC e é especialista em computação exaescala, onde trabalha nesta tecnologia. 

Eventos como o workshop Community Driven Approaches to Research in Technology & Society (CDARTS) compartilham objetivos semelhantes aos deste relatório para reunir pesquisadores em computação e as comunidades afetadas pelos impactos dos sistemas de IA. O workshop CDARTS abordou como a pesquisa em computação pode apoiar suas necessidades e melhores práticas de colaboração.

O CCC também acaba de concluir uma série de seis mesas redondas sobre o estabelecimento de melhores práticas interdisciplinares para a investigação em computação, o que é relevante para as numerosas menções no relatório sobre a necessidade urgente de colaborações interdisciplinares. O CCC divulgará um relatório conjunto com o CRA sobre o tema nos próximos meses.

CRA e SIAM estão conectados de várias maneiras. O presidente da Força-Tarefa SIAM, Bruce Hendrickson, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, estava apenas eleito à Diretoria do CRA. Mary Hall, diretora da Escola de Computação da Universidade de Utah, também atuou na força-tarefa e faz parte do Conselho do CRA, ao mesmo tempo em que atua no Comitê Executivo do CRA. Leia o relatório completo da Força-Tarefa SIAM SUA PARTICIPAÇÃO FAZ A DIFERENÇA.

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