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在人類探索自然的歷程中，“模擬”作為“理論” “實(shí)驗(yàn)”以外重要的補(bǔ)充技術(shù)手段，成為科學(xué)研究的第3個(gè)支柱，與理論和實(shí)驗(yàn)并駕齊驅(qū)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，模擬已經(jīng)從單純的數(shù)值計(jì)算演變?yōu)橐环N綜合性的研究方法，深刻地改變著我們對(duì)世界的認(rèn)知。
1.模擬技術(shù)的演進(jìn)
從表現(xiàn)形式看，科學(xué)研究可以被視為建立模型的過(guò)程。而模擬則是所建立的科學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行過(guò)程。最早期的計(jì)算機(jī)模擬可追溯到二戰(zhàn)后，是專門(mén)針對(duì)核物理學(xué)和氣象學(xué)研究的一種開(kāi)創(chuàng)性的科學(xué)工具。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，模擬逐漸滲透到物理、化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。如今，我們已經(jīng)能夠利用模擬技術(shù)解決一些極其復(fù)雜的問(wèn)題，甚至在某些情況下，模擬已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)和理論研究的必要補(bǔ)充。
2.模擬與科學(xué)研究深度融合
科學(xué)研究中的計(jì)算機(jī)模擬稱為科學(xué)模擬。在狹義定義中，計(jì)算機(jī)模擬就是“在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序的過(guò)程”。計(jì)算機(jī)模擬使用步進(jìn)方法來(lái)探索數(shù)學(xué)模型的近似行為。模擬程序在計(jì)算機(jī)上的一次運(yùn)行過(guò)程，代表了對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的一次模擬。在廣義定義中，可以把計(jì)算機(jī)模擬看作研究系統(tǒng)的一種綜合方法，是更加完整的計(jì)算過(guò)程。該過(guò)程包括模型選擇、通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)、算法輸出計(jì)算、結(jié)果數(shù)據(jù)可視化及研究。
從計(jì)算機(jī)模擬的定義和分類中，可以看出人們對(duì)科學(xué)模擬不同層次的期望。從狹義的計(jì)算機(jī)模擬角度看，它已經(jīng)成為理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察等傳統(tǒng)認(rèn)知方式的補(bǔ)充手段。科學(xué)或工程領(lǐng)域無(wú)一例外是由計(jì)算機(jī)模擬推動(dòng)的，在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景下，甚至是由計(jì)算機(jī)模擬改變的。如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)模擬，許多關(guān)鍵技術(shù)就無(wú)法被理解、開(kāi)發(fā)和利用。廣義的計(jì)算機(jī)模擬蘊(yùn)含著一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題：計(jì)算機(jī)是否可以自主進(jìn)行科學(xué)研究？科學(xué)研究的目標(biāo)是認(rèn)識(shí)世界，這意味著計(jì)算機(jī)程序必須創(chuàng)造新的知識(shí)。隨著人工智能技術(shù)研究及應(yīng)用的新一輪爆發(fā)，人們對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地以“智能”方式進(jìn)行科學(xué)研究充滿了期待。
3.科學(xué)模擬技術(shù)的3個(gè)發(fā)展階段
數(shù)值計(jì)算階段：計(jì)算機(jī)模擬最初用于執(zhí)行科學(xué)研究過(guò)程所需要數(shù)值計(jì)算。主要通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來(lái)模擬科學(xué)問(wèn)題。雖然這種方法在一定程度上能夠幫助我們理解復(fù)雜現(xiàn)象，但其精度和效率往往受到計(jì)算資源的限制。這種將部分復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算問(wèn)題的解題模式，僅僅是一種粗粒度的建模方案，在一些應(yīng)用場(chǎng)景下會(huì)遇到計(jì)算瓶頸。在解決真實(shí)場(chǎng)景中復(fù)雜物理模型時(shí)，常常面臨基本物理原理計(jì)算量過(guò)大的問(wèn)題，并由此導(dǎo)致空有原理而無(wú)法有效解決科學(xué)問(wèn)題。
模擬智能階段：模擬智能在傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算中嵌入人工智能模型(當(dāng)前主要是深度學(xué)習(xí)模型)，不同于其他人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)模型“黑盒子”，其顯著特點(diǎn)是利用物理原理和海量數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建人工智能模型及人工智能計(jì)算過(guò)程。隨著人工智能技術(shù)的興起，模擬技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。通過(guò)結(jié)合人工智能技術(shù)，構(gòu)建更加精確和高效的模擬模型，從而更好地理解和預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的行為。這一階段的特點(diǎn)是模擬技術(shù)開(kāi)始具備一定的“智能”，能夠自動(dòng)優(yōu)化模型參數(shù)，提高模擬的準(zhǔn)確性和效率。模擬智能大幅提升了對(duì)微觀多尺度系統(tǒng)的模擬能力，為在線實(shí)驗(yàn)反饋迭代提供了更加全面的支撐條件，大幅提升了對(duì)微觀多尺度系統(tǒng)的模擬能力，為在線實(shí)驗(yàn)反饋迭代提供了更加全面的支撐條件。
科學(xué)大腦階段：這一階段是對(duì)廣義計(jì)算機(jī)模擬的高級(jí)實(shí)現(xiàn)，依賴于通用人工智能技術(shù)的發(fā)展，是模擬技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。在通用人工智能逐步成熟的條件下，如果能制定科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，并開(kāi)發(fā)一個(gè)可擴(kuò)展的系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行這個(gè)過(guò)程，可能會(huì)得到另一種嶄新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)形式，即“科學(xué)大腦”。這種科學(xué)發(fā)現(xiàn)形式將實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、推測(cè)、實(shí)驗(yàn)、確認(rèn)和分析等的智能全自動(dòng)化流程。
在這一階段，我們期望計(jì)算機(jī)能夠像科學(xué)家一樣進(jìn)行獨(dú)立的科學(xué)研究。這不僅需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，還需要深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)能夠自主提出科學(xué)問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出科學(xué)結(jié)論。
4.展望
科學(xué)模擬作為一種新興的研究方法，正在改變著我們對(duì)自然世界的認(rèn)知方式。在科學(xué)大數(shù)據(jù)和人工智能的驅(qū)動(dòng)下，科學(xué)模擬正從傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算逐步轉(zhuǎn)向與人工智能相融合的模擬方式。
現(xiàn)階段，科學(xué)模擬尚處于模擬智能階段的早期，此時(shí)對(duì)模擬智能的使能技術(shù)展開(kāi)研究至關(guān)重要。在面向模擬智能的計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，跨學(xué)科合作必不可少。領(lǐng)域科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、建模與仿真等學(xué)科工作者之間的跨學(xué)科合作會(huì)構(gòu)建更優(yōu)的模擬計(jì)算系統(tǒng)，形成更全面和整體的方法，去解決更加復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界的科學(xué)挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，我們有理由相信，在未來(lái)的科學(xué)研究中，模擬技術(shù)將發(fā)揮更加重要的作用。
本文改編自《中國(guó)科學(xué)院院刊》2024年第1期，專題：大力推進(jìn)科研范式變革，原文標(biāo)題：面向模擬智能的計(jì)算系統(tǒng)
作者：譚光明 賈偉樂(lè) 王展 元國(guó)軍 邵恩 孫凝暉
責(zé)任編輯：胡惠雯
