聚變反應(yīng)：人工智能與高性能計(jì)算如何為科學(xué)注入活力

美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首席研究員講述機(jī)器學(xué)習(xí)如何推動研究突破。

Brian Spears 認(rèn)為多虧了人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）模擬，他的孩子才能居住在一個(gè)更加可持續(xù)的地球上。

現(xiàn)年 45 歲的美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首席研究員表示：“我相信我有生之年能看到核聚變能源，并且我的女兒們將會生活在一個(gè)由核能源驅(qū)動的世界?！?Brian Spears 曾展示過這種清潔且充裕的能源的物理特性，引起了全世界的矚目。

去年 12 月的一個(gè)早晨，Spears 收到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的郵件通知。

他回憶道：“我揉了揉眼睛，確定自己沒有看錯數(shù)字。”

“核”心家庭

在確認(rèn)自己沒有看錯后，Spears 急忙下樓告訴妻子這個(gè)消息。他的妻子是美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一名化學(xué)工程師，負(fù)責(zé)研究開創(chuàng)性的 3D 打印玻璃技術(shù)。她也曾參與過這個(gè)核聚變項(xiàng)目。

Spears 打趣道：“有個(gè)朋友說我們家就像是活在《星際迷航》中。我研究曲速核心，她研究復(fù)制器。”

在實(shí)驗(yàn)室正式宣布該研究的消息后，Spears 通過社交媒體向全世界表達(dá)了他的興奮之情，引發(fā)了熱議。

“這充滿驚喜的一天把我弄得筋疲力盡……女兒們給我發(fā)了她們爸媽的研究被爭相報(bào)導(dǎo)的新聞截圖……我們開創(chuàng)了人類的一項(xiàng)偉大事業(yè)?！?/p>

Brian Spears

Spears 透露了一些技術(shù)細(xì)節(jié)。

“我們使用 200 萬焦耳的激光能量粉碎了一個(gè)比鏡子光滑 100 倍的靶丸。該靶丸內(nèi)爆后只剩下頭發(fā)一半的厚度。我們在 100 萬億分之一秒內(nèi)產(chǎn)生了 10 拍瓦的能量，這是太陽系中最亮的東西。”

AI 幫助科學(xué)家掌控實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)前一周，Spears 的團(tuán)隊(duì)分析了其精密的 HPC 設(shè)計(jì)，然后用 AI 預(yù)測了結(jié)果：兩個(gè)原子將融合成一個(gè)，在名為“點(diǎn)火”的過程中釋放出能量。

這是數(shù)千次AI預(yù)測中最激動人心的一次。如今，AI 與 HPC 已成為現(xiàn)代科學(xué)的“左膀右臂”：團(tuán)隊(duì)先在 HPC 模擬中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，然后用實(shí)際結(jié)果中得到的數(shù)據(jù)訓(xùn)練AI模型，進(jìn)一步完善下一次模擬。

AI 能夠發(fā)現(xiàn)人類難以察覺的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。例如，當(dāng)研究者使用 192 個(gè)激光器引發(fā)靶丸內(nèi)爆以實(shí)現(xiàn)聚變時(shí)，AI 追蹤到了靶丸內(nèi)部的微小缺陷所產(chǎn)生的影響。

聚變實(shí)驗(yàn)內(nèi)部情況

(圖片來源：美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室)

Spears 表示：“我們需要 AI 來幫助我們了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)情況?！?/p>

這張“巨大畫布”上繪滿了描述原子物理學(xué)復(fù)雜細(xì)節(jié)的數(shù)學(xué)。

一個(gè)實(shí)驗(yàn)可能需要進(jìn)行數(shù)十萬次規(guī)模相對較小的模擬。每個(gè)模擬都需要在一臺超級計(jì)算機(jī)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上花費(fèi)半天時(shí)間。

其中最大的 3D 模擬 Kitchen sink 消耗了全球第六快 HPC 系統(tǒng) Sierra 的約一半算力。該系統(tǒng)裝有 17280 顆 NVIDIA GPU。

邊緣 AI 指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

AI 還能幫助科學(xué)家們打造“自動”實(shí)驗(yàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)它們實(shí)時(shí)處理的結(jié)果，瞬間決定以何種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

例如 Spears 和他的同事去年與 NVIDIA 一起開展了一項(xiàng)由 AI 指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛎棵氚l(fā)射三次激光，創(chuàng)造出了有望治療癌癥患者的質(zhì)子束。

Spears 表示：“我們只用了一天就創(chuàng)造出了這種強(qiáng)光束。如果由人類來設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可能需要花上幾個(gè)月乃至幾年的時(shí)間。這種邊緣 AI 實(shí)驗(yàn)方法將為各個(gè)領(lǐng)域的專家節(jié)省成倍的時(shí)間?！?/p>

在未來的核聚變反應(yīng)堆中，指揮每秒發(fā)射多次激光也將是一項(xiàng)關(guān)鍵的工作。

駕馭數(shù)據(jù)洪流

Spears 認(rèn)為，科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域?qū)V泛感受到 AI 的影響。

他表示：“我們過去十年中的模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)超出了我們能夠處理的量級?！?/p>

這種曾經(jīng)給科學(xué)家造成負(fù)擔(dān)的數(shù)據(jù)洪流如今已成為機(jī)器學(xué)習(xí)的“燃料”。

“AI 正在幫助科學(xué)家恢復(fù)對數(shù)據(jù)的主導(dǎo)權(quán)，大大加快了科學(xué)研究速度?！?/p>

Spears 還負(fù)責(zé)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室中另一項(xiàng)與 NVIDIA 等公司合作開展的 AI 項(xiàng)目。

他表示：“NVIDIA 使我們能夠放眼未來，幫助我們進(jìn)一步將 AI 應(yīng)用于科學(xué)研究。”

創(chuàng)造更加光明的未來

這項(xiàng)影響力巨大的艱苦研究將為下一代打造一個(gè)更加堅(jiān)韌的地球。

當(dāng) Spears 被問及他的兩個(gè)女兒是否準(zhǔn)備進(jìn)入科學(xué)界工作時(shí)，他笑著說，她們現(xiàn)在都是游泳健將，會吹爵士小號，從生物工程到藝術(shù)，她們對一切領(lǐng)域都有興趣。

“她們的未來有無限可能。”

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