——記國家自然科學基金重大研究計劃“高性能科學計算的基礎算法與(yu) 可計算建模”

編者按

數學是一門基礎學科，它的水平關(guan) 乎其它領域科學研究的發展。隨著電子計算機的快速發展，以數學為(wei) 基礎的科學計算已成為(wei) 與(yu) 理論和實驗並駕齊驅的現代三大科學方法之一。

2011年，我國首個(ge) 以數學學科為(wei) 主導的國家自然科學基金重大研究計劃“高性能科學計算的基礎算法與(yu) 可計算建模”正式啟動，2020年底結束評估。10年裏，高性能科學計算與(yu) 相關(guan) 科學領域深度融合，緊緊抓住數學這個(ge) “牛鼻子”，為(wei) 諸多科學難題的解決(jue) 提供了強勁的驅動力。

2016年，楊超（左四）登上戈登貝爾獎領獎台。此後，在該重大研究計劃的支持下，我國先後於(yu) 2017年和2020年兩(liang) 次問鼎該獎。

當今，科學計算已成為(wei) 與(yu) 理論和實驗並駕齊驅的現代三大科學方法之一，利用應用數學和計算機科學所提供的計算能力理解和解決(jue) 科學與(yu) 工程領域中的問題，成為(wei) 了促進現代科學發現與(yu) 科技進步的重要手段。

日前，我國首個(ge) 以數學學科為(wei) 主導的國家自然科學基金重大研究計劃“高性能科學計算的基礎算法與(yu) 可計算建模”（以下簡稱重大研究計劃）結束評估。10年裏，我國科研人員以數學研究麵向國家重大需求和國際科學前沿，將高性能科學計算應用在攻克數理科學、生命科學、地球科學、工程與(yu) 材料科學、信息科學、醫學科學等多個(ge) 領域的科學難題中。

該重大研究計劃專(zhuan) 家組第一任組長（由於(yu) 工作變動，該計劃後兩(liang) 年由陳誌明院士擔任組長）、北京應用物理與(yu) 計算數學研究所研究員、中國科學院院士江鬆告訴《中國科學報》：“在100多個(ge) 團隊和1000多名研究人員的共同努力下，我國高性能科學計算逐步向國際科學前沿靠攏。”

“架橋梁”需要幾步？

數學是自然科學的基礎，也是重大技術創新發展的基礎，主要依靠可計算建模與(yu) 基礎算法發揮作用，解決(jue) 實際問題。然而，長期以來，基礎算法研究和實際問題解決(jue) 的“兩(liang) 張皮”現象突出。許多專(zhuan) 家明白，這一現象的背後實際上存在科研人員的慣性思想，導致各自為(wei) 政開展研究。

江鬆回憶：“2011年前後，專(zhuan) 家們(men) 和國家自然科學基金委員會(hui) （以下簡稱自然科學基金委）數理科學部管理者經過多次研討一致認為(wei) ，給基礎算法研究和解決(jue) 科學領域實際問題這兩(liang) 個(ge) 環節‘架橋梁’已經迫在眉睫。”

正是在這樣的背景下，2011年，自然科學基金委啟動重大研究計劃“高性能科學計算的基礎算法與(yu) 可計算建模”，組建了由10位科學計算領域的多學科專(zhuan) 家和10位管理專(zhuan) 家組成的指導專(zhuan) 家組和管理工作組。

在“架橋梁”的共識基礎上，專(zhuan) 家組和管理組將“問題導向”視為(wei) 實施該重大研究計劃的首要落腳點。

“在核心科學問題的設計上，專(zhuan) 家組和管理組把‘頂天和立地’作為(wei) 目標。”江鬆告訴《中國科學報》，“在立足於(yu) 國際學科前沿開展基礎算法研究的同時，也要麵向國家重大需求中的科學計算難題提出解決(jue) 方案，進行可計算建模研究。”

具體(ti) 實施過程中，“架橋梁”工程通過3步進行。第一步，尋找“橋墩”。他們(men) 在數值計算的共性高效算法、基於(yu) 機理與(yu) 數據的可計算建模、問題驅動的高性能計算與(yu) 算法評價(jia) 3個(ge) 層麵廣泛進行項目培育。第二步，“擰緊螺絲(si) ”、組合“結構”，即選取重點支持項目開展組合研究。第三步，建好“橋麵”，通過集成基礎算法、可計算建模、極端條件下的物理現象、生物信息與(yu) 疾病、大氣與(yu) 反問題和共性算法的高效實現等6大項目群，以解決(jue) 一大批實際問題。

正是在上述總體(ti) 思路的指導下，該重大研究計劃取得了許多解決(jue) “兩(liang) 張皮”問題的代表性成果。例如，圍繞在實驗室實現可控核聚變，科研人員設計多個(ge) 有效算法並將其應用於(yu) 我國神光III激光裝置的黑腔、內(nei) 爆實驗設計與(yu) 分析等物理研究工作，實現用算法模擬核聚變過程。圍繞精準預測航天器回程落點，科研人員開展巨型計算機高效計算實現航天器再入全流域超大規模計算與(yu) 應用驗證研究，成功應用在天宮一號、天宮二號等返回任務中，將位置預測的偏差降低到米量級，提前鎖定解體(ti) 殘骸碎片落區散布範圍。此外，研究成果還應用在致密油氣藏地震資料、冷凍電鏡技術、集成電路等領域，極大促進了相關(guan) 領域的科學研究。

2020年底，該重大研究計劃結題時，全體(ti) 專(zhuan) 家組和管理工作組成員欣慰地看到，重大研究計劃實施的十年裏，我國高性能科學計算研究取得了跨越式發展，有力推動解決(jue) 了前沿科學研究和國家重大需求提出的計算難題，“兩(liang) 張皮”問題得以初步解決(jue) 。

給科學家團隊“做媒”

在重大研究計劃實施的十年裏，眾(zhong) 多專(zhuan) 家組成員跑遍全國各地100多個(ge) 項目組，在進行監督考察、指導評價(jia) 工作之外，為(wei) 各課題組“做媒”成為(wei) 他們(men) 工作的重中之重。

以數學為(wei) 統籌解決(jue) 實際科學問題中的計算難題，必須進行跨學科的深度交叉。得益於(yu) 高性能科學計算的基礎算法和可計算建模研究，在重大研究計劃最終集成的6個(ge) 項目群裏，產(chan) 生了從(cong) 問題到算法的大批優(you) 秀成果。

從(cong) 選取基於(yu) 問題的項目培育開始，專(zhuan) 家組就一直以“牽線搭橋”方式促進多個(ge) 不同學科之間的交叉融合，在項目資助中廣泛匹配，給互不相識但研究符合問題解決(jue) 方向的課題組相互“介紹對象”。同時，管理組在基金政策和組織形式方麵給予大力指導和支持，以保證交叉合作的順利推進。

湖南師範大學劉紅榮團隊與(yu) 上海交通大學和北京大學的圖像處理算法團隊的合作就是一段“佳話”。2015年，專(zhuan) 家組發現，劉紅榮團隊在前期項目培育階段已經在“靜態生物體(ti) ”相關(guan) 研究中取得具有國際領先水平的重要成果。在一次交流中，劉紅榮向專(zhuan) 家組表示，動態過程圖像處理算法不足，限製了他們(men) 的進一步研究。

專(zhuan) 家組“秒懂”了劉紅榮的難處。他們(men) 馬上聯係到該重大研究計劃資助的圖像處理算法團隊，將三個(ge) 團隊合並為(wei) 集成項目。

最終，集成團隊在冷凍電鏡生物大分子活性動態三維重構算法基礎研究與(yu) 應用研究方麵取得突出進展，形成了擁有自主星空体育官网入口网站產(chan) 權的三維重構軟件，初步發展了超大型生命分子機器的全原子動力學重建新方法。相關(guan) 成果發表於(yu) 《自然》《自然—通訊》等國際期刊上。

不僅(jin) 如此，據江鬆介紹，專(zhuan) 家組還把已經在“談戀愛”、有相關(guan) 合作的項目推進“婚姻殿堂”，甚至還推動不同大項目之間的“聯姻”，共同集成大方向下的核心科學成果。

“冷板凳”怎麽(me) 坐“熱”？

數學是人類利用科學手段探索自然的基礎工具，自由探索型基礎數學研究和目標導向型應用數學研究是其兩(liang) 個(ge) 主要研究類別。和快速做出成果的應用數學研究不同，基礎數學研究往往意味著研究人員可能坐上了長期沒有成果的“冷板凳”。

2018年以來，國家及相關(guan) 部門陸續製定多份文件強調基礎研究的重要性，將數學置於(yu) 重要地位，明確指出“數學實力的提高往往意味著國家實力的增強”。

作為(wei) 我國第一個(ge) 數學學科的重大研究計劃，以數學學科為(wei) 引領的諸多研究成果實實在在地被用於(yu) 多項科學問題的解決(jue) ，讓數學真正成為(wei) 基礎科學中的基礎，成為(wei) 把“冷板凳”坐“熱”的典範。

在專(zhuan) 家們(men) 看來，重大研究計劃的實施也為(wei) 應用數學學科發展提供了可參考的經驗。江鬆認為(wei) ，數學學科自由探索型的基礎研究往往做出“從(cong) 0到1”的突破，繼而改變整個(ge) 科學界的發展範式；而目標導向的應用型基礎研究則是對突破後新範式的無限延伸發展，將新的基礎研究成果廣泛應用於(yu) 科學研究和社會(hui) 各行各業(ye) 解決(jue) 實際問題。“兩(liang) 手抓，兩(liang) 手硬。”他強調。

近年來，自然科學基金深化改革的重要舉(ju) 措之一是明確資助導向，將科學問題屬性分為(wei) 4類，即鼓勵探索、突出原創；聚焦前沿、獨辟蹊徑；需求牽引、突破瓶頸；共性導向、交叉融通。在此基礎上，對於(yu) 不同科學問題屬性的分類評審工作也逐步推進。

江鬆告訴《中國科學報》：“新的資助導向將改變對數學研究的評價(jia) ，避免‘一刀切’。而評價(jia) 將進一步作為(wei) 開展數學研究的‘指揮棒’，引領科研工作。”例如，自由探索型的數學研究解決(jue) 問題時間長、所需投入少，需要更持久、更有耐心的投入，而大工程式作業(ye) 的應用型數學研究涉及不同學科的交叉融合，涉及人員多、投入大、問題明確、時間緊，則更需要大手筆、考核標準明確的科研投入和考核機製。

讓優(you) 秀人才脫穎而出

該重大研究計劃為(wei) 我國高性能科學計算領域培養(yang) 出一大批學術中堅力量。

從(cong) 啟動到落幕的十年裏，經曆過培育項目—重點支持項目—集成項目三輪資助的各個(ge) 項目群裏誕生了一批突出/突破成果，高性能科學計算領域的學術新手們(men) 在這裏和重大研究計劃一起，走出了自己的學術成長之路。

北京大學數學科學學院教授楊超就是代表之一。2011年，時任中國科學院軟件研究所副研究員的楊超申請項目入選第一批培育項目，隨後又進一步獲得重大研究計劃的集成項目支持。在重大研究計劃的持續資助下，楊超與(yu) 合作者在異構區域分裂算法領域陸續取得突破，應用成果問鼎2016年的戈登貝爾獎。這是29年來國際高性能科學計算的“第一梯隊”中，首次有了中國學者的身影。此後，在該重大研究計劃的支持下，我國又先後於(yu) 2017年和2020年兩(liang) 次問鼎該獎。

如今，楊超已成長為(wei) 該領域的青年學術帶頭人。“重大研究計劃圍繞一個(ge) 共同目標把研究人員集中起來，是一種有組織的基礎研究，成效非常之好，這種模式對於(yu) 應用基礎研究有很強的推動作用，值得持續開展。”楊超告訴《中國科學報》。

據了解，在項目實施過程中，5名項目負責人被增選為(wei) 中國科學院院士、11人獲得國家傑出青年科學基金項目資助，通過重大研究計劃“聯姻”的許多課題組還在繼續合作開展更進一步的研究，大批研究生進入相關(guan) 院校和科研單位，眾(zhong) 多年輕學者加入了高性能科學計算領域的研究……

未來，人工智能、機器學習(xi) 、百億(yi) 次計算以及大氣海洋環境模擬等前沿課題將成為(wei) 高性能科學計算進一步發展的重要方向。“麵向國家重大需求，搶占計算科學發展的國際製高點，在國際新形勢下發展自主科學與(yu) 工程計算軟件是中國高性能科學計算不變的目標和希冀。”江鬆告訴《中國科學報》。