賽先生的新旅行：昇騰AI帶來的科學(xué)智能變革

《三體》動畫即將開播，又一次引發(fā)了全球科幻迷的無限熱情。提到《三體》，大家有很多深刻記憶。其中之一是三體人在入侵地球之前，首先是派智子鎖死地球的基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步，從而限制人類的整體發(fā)展。

很多人會擔(dān)心，物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)科學(xué)似乎已經(jīng)很久沒有突破性進(jìn)展。《三體》里預(yù)言的科學(xué)瓶頸，是不是已經(jīng)來臨？事實(shí)并非如此。

1919年1月15日，《新青年》第六卷首次提出了“賽先生”（科學(xué)）的號召。一百年過去，賽先生在今天，應(yīng)該會驚嘆于科學(xué)事業(yè)已經(jīng)有了新動力。AI技術(shù)與科學(xué)研究的相遇，正在打開智能科學(xué)的大門。

我們共同來了解一下“科學(xué)智能”究竟是什么。賽先生的新旅程，似乎可以告訴三體人：放棄吧，地球的科學(xué)之路依舊光明無限。

科研之旅，為何浩瀚？

對比20世紀(jì)上半葉一眾基礎(chǔ)科學(xué)取得驚人突破，我們或許會感覺今天的科學(xué)研究步履緩慢，缺乏進(jìn)展。這是因?yàn)榭茖W(xué)研究整體已經(jīng)來到一定高度，向上攀爬的難度遠(yuǎn)高于以往。

這種難度，直接體現(xiàn)在很多方面。比如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過于龐大，難以處理；比如大量科研計(jì)算任務(wù)需要研究人員手動完成，效率受到限制；再比如科研本身是面向未知的探索，有大量的試錯(cuò)成本。這種種困境都體現(xiàn)在大量的科研工作中。比如一次天文觀測的數(shù)據(jù)，可能需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)花費(fèi)幾個(gè)月進(jìn)行解析；一種新藥有效開發(fā)，可能需要10年以上時(shí)間、數(shù)十億美金的研發(fā)投入。

這種情況下，科學(xué)研究急需要從人工化、手動化的方式，向智能化計(jì)算遷移。但這個(gè)過程中又會面臨一系列挑戰(zhàn)?？茖W(xué)計(jì)算要面臨大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及大量非線性計(jì)算任務(wù)。維數(shù)災(zāi)難、計(jì)算尺度受限、理論突破與工程方法創(chuàng)新緩慢等挑戰(zhàn)制約著科學(xué)計(jì)算的發(fā)展。

由此可見，科研之旅之所以看上去浩瀚無涯，并不是說科學(xué)已經(jīng)沒有創(chuàng)新目標(biāo)，而是需要新范式、新工具、新平臺來加速科研創(chuàng)新，提升科研效率。這種情況下，AI技術(shù)帶來的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)解析、泛化理解能力、多樣化計(jì)算表述等價(jià)值，可以有效應(yīng)對科學(xué)計(jì)算中的難題。讓浩瀚無涯的科研工作效率提升，步履加快。

這就是由AI與科學(xué)計(jì)算結(jié)合，產(chǎn)生的科學(xué)智能新路徑。

賽先生的新發(fā)現(xiàn)：AI帶來全新可能

AI可以解決大量科學(xué)研究中的問題，這一點(diǎn)在今天已經(jīng)得到了廣泛證實(shí)。比如說，AI可以幫助智能體在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真計(jì)算，從而補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)的不足。這在流體力學(xué)測算、自動駕駛等領(lǐng)域價(jià)值突出；AI還可以進(jìn)行大量非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)解析，這在天文、氣象預(yù)測、DNA與蛋白質(zhì)解析當(dāng)中十分重要。AI與蛋白質(zhì)解析的結(jié)合，頻頻登上主流科學(xué)期刊封面。就是因?yàn)锳I模型完成了人類難以企及的科研新高度。

在中國，通過AI大模型等全新技術(shù)來助力科研與產(chǎn)業(yè)化，其成績已經(jīng)蔚為大觀。

比如東方.御風(fēng)大模型，是將AI的優(yōu)勢與流體仿真相結(jié)合，基于昇騰AI開發(fā)的業(yè)界首個(gè)工業(yè)級流體仿真大模型，可實(shí)現(xiàn)大型客機(jī)翼型流場的高效、高精度智能化仿真預(yù)測。在飛機(jī)生產(chǎn)過程中，仿真測試是必不可少的一環(huán)，也是飛機(jī)安全性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵保證。過去，進(jìn)行飛機(jī)流體仿真測試一次仿真需要數(shù)十分鐘，但運(yùn)用“東方.御風(fēng)”25秒就可以完成。這種效率積累起來是非常可觀的。使用非AI方式，仿真萬次要70天，而現(xiàn)在只需要３天。中國工程院院士吳光輝表示，有了“東方.御風(fēng)”大模型的幫助，在精度一樣的情況下，仿真時(shí)間只需要原來的二十四分之一。

“東方.御風(fēng)”大模型，是基于昇騰AI軟硬件底座打造的面向大型客機(jī)翼型流場高效高精度AI仿真預(yù)測模型。尤其在昇思MindSpore流體仿真套件的支持下，有效提高了“東方.御風(fēng)”大模型對復(fù)雜流場的仿真能力，實(shí)現(xiàn)了仿真時(shí)間大幅下降。

而華為還攜手產(chǎn)業(yè)界圍繞“東方.御風(fēng)”以及正在孵化的AI湍流大模型，成立了智能流體力學(xué)產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體，為大模型從科研創(chuàng)新走向產(chǎn)業(yè)落地鋪設(shè)了新的道路。

在大飛機(jī)項(xiàng)目受到全社會關(guān)注的今天，“東方.御風(fēng)”大模型的出現(xiàn)和應(yīng)用可謂恰逢其時(shí)。其不僅為大飛機(jī)國產(chǎn)化帶來了關(guān)鍵助力，更在流體力學(xué)這一關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)了AI大模型帶來的無限可能。

“戈登·貝爾獎(jiǎng)”是國際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)，被譽(yù)為“超級計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的諾貝爾”。今年，鵬城實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合北京大學(xué)、山東大學(xué)，在“鵬程.神農(nóng)”生物信息研究平臺上完成的“領(lǐng)先于病毒的進(jìn)化——通過人工智能模擬預(yù)測未來高風(fēng)險(xiǎn)新冠病毒變異株”研究項(xiàng)目成功入圍了該獎(jiǎng)最終名單。

基于昇騰AI的“鵬程.神農(nóng)”平臺，以AI方式，在兩天內(nèi)實(shí)現(xiàn)了新冠病毒 Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron BA.5 等主流毒株的變異模擬，且可以準(zhǔn)確預(yù)測大多數(shù)的高風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測變異株，包括 BF.7、BQ.1、BA.4.6 等。通過 6.3x10^22 次運(yùn)算，“鵬程.神農(nóng)”可以比病毒進(jìn)化提前5 個(gè)月時(shí)間預(yù)測到病毒變異方向，從而提升突發(fā)疫情的預(yù)判與處置能力，其價(jià)值可謂難以估量。

“鵬程.神農(nóng)”平臺之所以能夠在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域獲得如此顯著的成就，離不開背后基于昇騰AI基礎(chǔ)軟硬件的鵬城云腦II為其研究提供了強(qiáng)大的算力支撐。

預(yù)訓(xùn)練AI大模型，極大提升了科研工作的效率，在自動化、仿真化、智能化等方向，為科研工作提供了全新范式。這種范式也展現(xiàn)出了極大的產(chǎn)業(yè)成果。比如大飛機(jī)研究具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；新冠病毒檢測，對全社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。這種由科研向產(chǎn)業(yè)的價(jià)值轉(zhuǎn)化，讓新的產(chǎn)學(xué)研協(xié)作路徑已經(jīng)出現(xiàn)，基礎(chǔ)科學(xué)持續(xù)高速進(jìn)步的曙光已經(jīng)到來。

而向更深層看這兩個(gè)大模型項(xiàng)目，會發(fā)現(xiàn)他們都有效解決了同一個(gè)問題：科學(xué)計(jì)算需要龐大的AI算力開銷，并且需要HPC計(jì)算與AI計(jì)算的有效融合。在昇騰AI基礎(chǔ)軟硬件的支持下，那些科學(xué)智能的“不可能”，已經(jīng)轉(zhuǎn)化為了“可能”。

新底座，新旅程

我們知道，全球有大量超算中心都是用來支持科研工作，尤其是基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新。而在目前階段，AI技術(shù)的加入，讓傳統(tǒng)科學(xué)計(jì)算無法解決的問題帶來了可能，也為科學(xué)計(jì)算的發(fā)展帶來了新路徑、新機(jī)會。將AI與HPC結(jié)合，從科研到產(chǎn)業(yè)都具備廣泛的價(jià)值空間。

比如說，在AI賦能機(jī)理計(jì)算當(dāng)中，就需要將AI計(jì)算嵌入到機(jī)理計(jì)算中，通過AI實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速。這一研究路徑，以鄂維南院士提出的DeePMD方法實(shí)現(xiàn)分子動力學(xué)模擬為代表。

再比如天文、氣象預(yù)測等領(lǐng)域，都需要AI計(jì)算與HPC計(jì)算結(jié)合，從而提升整體研究的任務(wù)準(zhǔn)確率與完成效率。

這些方向都需要HPC與AI計(jì)算相互支持，甚至相互融合。那如何才能把HPC與AI計(jì)算兩大計(jì)算體系融合起來呢？這就需要在硬件、軟件、應(yīng)用等多個(gè)方面，構(gòu)筑科學(xué)智能的新底座。

華為推出科學(xué)智能基礎(chǔ)軟硬件平臺，就有效解決了這一問題?；邛H鵬和昇騰兩大算力體系，充分融合HPC和AI計(jì)算，實(shí)現(xiàn)圍繞科學(xué)智能原生的多樣性算力軟硬件平臺。

在不同的層面，科學(xué)智能基礎(chǔ)軟硬件平臺都有獨(dú)特的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)HPC與AI計(jì)算融合。

在硬件層，業(yè)界首個(gè)科學(xué)智能全場景液冷整機(jī)柜硬件平臺——天成，支持多樣性算力的靈活彈性部署，實(shí)現(xiàn)科學(xué)智能全場景覆蓋；

在軟件層，畢昇C++和畢昇融合編譯器，結(jié)合歐拉操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)效率1倍以上的提升，系統(tǒng)性能提升30%-50%；

在開發(fā)側(cè)，全場景統(tǒng)一工具M(jìn)indStudio可實(shí)現(xiàn)軟件融合編程/編譯/調(diào)優(yōu)，使科學(xué)智能全場景開發(fā)效率提升50%，可以有效提升科學(xué)智能業(yè)務(wù)的開發(fā)效率；

在應(yīng)用使能側(cè)，業(yè)界首個(gè)AI與HPC融合的開發(fā)框架昇思MindSpore以及多瑙融合調(diào)度器，可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)智能應(yīng)用高效開發(fā)、部署和調(diào)度，使應(yīng)用性能提升10-20倍，系統(tǒng)資源利用率提升15%；此外昇思MindSpore還為科學(xué)智能的應(yīng)用加速提供了多領(lǐng)域的科學(xué)智能套件，如進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測與抗體設(shè)計(jì)的分子模型套件MindSpore SPONGE、天線陣列仿真的電磁仿真套件MindSpore Elec、大飛機(jī)以及海洋洋流流場預(yù)測的流體仿真套件MindSpore Flow等等。

新底座，意味著新的可能；新的動力，意味著新的目標(biāo)。在有效支持流體力學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域之后，華為面向科學(xué)智能打造的基礎(chǔ)軟硬件平臺，還在為科學(xué)智能孕育更多驚喜。

下一站，電磁智能

電磁學(xué)(electromagnetism)是研究電磁現(xiàn)象規(guī)律與應(yīng)用的物理學(xué)分支。早在18世紀(jì)，電磁現(xiàn)象與電磁感應(yīng)就為科學(xué)界所關(guān)注。今天我們無法離開的通信、計(jì)算、材料工程，都離不開電磁學(xué)作為支撐。

面向這門非常重要的基礎(chǔ)科學(xué)，科學(xué)智能持續(xù)觸發(fā)。中國科學(xué)院院士崔鐵軍團(tuán)隊(duì)正基于昇騰AI基礎(chǔ)軟硬件平臺打造的面向電磁領(lǐng)域的大模型：金陵.電磁腦。

金陵.電磁腦，將在電磁波、電磁計(jì)算、超表面仿真等領(lǐng)域帶來全新的價(jià)值，并將與通信天線、雷達(dá)、毫米波自動駕駛等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用結(jié)合，加速行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)新。

由此可見，科學(xué)智能的前景非常廣泛，在各個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域都具有發(fā)展?jié)摿εc發(fā)展必要性。來到中國百年的賽先生，今天依舊在AI大模型、科學(xué)智能等領(lǐng)域中馳騁著、翱翔著。我們沒有一刻暫停過腳步，沒有絲毫倦怠與氣餒。

科學(xué)依舊是人類文明之光，依舊是我們永不放棄的方向。科研之光，正在智能化中持續(xù)盛放，AI技術(shù)的發(fā)展也正在為其注入新動能。賽先生的旅程，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。