Вычислительная наука , также известная как научные вычисления , технические вычисления или научные вычисления ( SC ), — это раздел науки, который использует передовые вычислительные возможности для понимания и решения сложных физических проблем. Это включает
На практике это обычно применение компьютерного моделирования и других форм вычислений из численного анализа и теоретической информатики для решения проблем в различных научных дисциплинах. Эта область отличается от теории и лабораторных экспериментов, которые являются традиционными формами науки и техники . Научно-вычислительный подход заключается в достижении понимания посредством анализа математических моделей, реализованных на компьютерах . Ученые и инженеры разрабатывают компьютерные программы и прикладное программное обеспечение , которые моделируют изучаемые системы и запускают эти программы с различными наборами входных параметров. Суть вычислительной науки заключается в применении численных алгоритмов [1] и вычислительной математики . В некоторых случаях эти модели требуют огромных объемов вычислений (обычно с плавающей запятой ) и часто выполняются на суперкомпьютерах или платформах распределенных вычислений . [ нужна проверка ]
Термин «ученый-компьютерщик» используется для описания человека, обладающего навыками научных вычислений. Таким человеком обычно является ученый, инженер или прикладной математик, который различными способами применяет высокопроизводительные вычисления для продвижения новейших достижений в своих прикладных дисциплинах в физике, химии или технике.
Вычислительную науку теперь обычно считают третьим видом науки [ нужна ссылка ] , дополняющим и добавляющим эксперименты / наблюдения и теории (см. изображение). [2] Здесь определяется система как потенциальный источник данных, [3] эксперимент как процесс извлечения данных из системы путем воздействия на нее через ее входы [4] и модель ( M ) для системы ( S ) и эксперимент ( E ) как все, к чему можно применить E , чтобы ответить на вопросы о S. [5] Ученый-вычислитель должен уметь:
Значительные усилия в области вычислительных наук были направлены на разработку алгоритмов, их эффективную реализацию на языках программирования и проверку результатов вычислений. Сборник проблем и решений в области вычислительной техники можно найти в Steeb, Hardy, Hardy and Stoop (2004). [6]
Философы науки задавались вопросом, в какой степени вычислительная наука может считаться наукой, в том числе Хамфрис [7] и Гелферт. [8] Они затрагивают общий вопрос эпистемологии: как можно получить представление о таких подходах в области вычислительной науки? Толк [9] использует эти идеи, чтобы показать эпистемологические ограничения исследований с помощью компьютерного моделирования. Поскольку вычислительная наука использует математические модели, представляющие основную теорию в исполняемой форме, по сути, они применяют моделирование (построение теории) и симуляцию (реализация и исполнение). Хотя моделирование и вычислительная техника являются нашим наиболее сложным способом выражения наших знаний и понимания, они также имеют все ограничения и ограничения, уже известные для вычислительных решений. [ нужна цитата ]
Проблемные области вычислительной науки/научных вычислений включают:
Прогнозные вычисления — это научная дисциплина, занимающаяся формулировкой, калибровкой, численным решением и проверкой математических моделей, предназначенных для прогнозирования конкретных аспектов физических событий с учетом начальных и граничных условий, а также набора характеризующих параметров и связанных с ними неопределенностей. [10] В типичных случаях прогнозное утверждение формулируется в терминах вероятностей. Например, при наличии механического компонента и условиях периодической нагрузки «вероятность (скажем) 90% того, что количество циклов при отказе (Nf) будет находиться в интервале N1<Nf<N2». [11]
В 2018 году [ требуется обновленная информация ] более половины населения мира проживает в городах. [12] По оценкам ООН , к 2050 году 68% населения мира будет проживать в городах . [12] [ актуально? ] Этот рост городов сосредоточен на городском населении развивающихся стран, где число городских жителей увеличится более чем вдвое, увеличившись с 2,5 миллиардов в 2009 году до почти 5,2 миллиардов в 2050 году. [ нужна цитата ] [ актуально? ] Города — это чрезвычайно сложные системы, созданные людьми, состоящие из людей и управляемые людьми. Попытка предсказать, понять и каким-то образом сформировать развитие городов в будущем требует сложного мышления и вычислительных моделей и симуляций, которые помогут смягчить проблемы и возможные катастрофы. Цель исследований сложных городских систем – посредством моделирования и симуляции добиться более глубокого понимания динамики города и помочь подготовиться к предстоящей урбанизации . [ нужна цитата ]
На финансовых рынках огромные объемы взаимозависимых активов торгуются большим количеством взаимодействующих участников рынка в разных местах и часовых поясах. Их поведение беспрецедентно сложно, а характеристика и измерение риска, свойственного этому весьма разнообразному набору инструментов, обычно основано на сложных математических и вычислительных моделях . Решение этих моделей точно в закрытой форме, даже на уровне одного прибора, как правило, невозможно, и поэтому приходится искать эффективные численные алгоритмы . В последнее время эта проблема стала еще более актуальной и сложной, поскольку кредитный кризис [ который? ] явно [ по мнению кого? ] продемонстрировал роль каскадных эффектов [ каких? ] переход от отдельных инструментов через портфели отдельных учреждений к даже взаимосвязанной торговой сети. Понимание этого требует многомасштабного и целостного подхода, при котором взаимозависимые факторы риска, такие как рыночный, кредитный риск и риск ликвидности, моделируются одновременно и в разных взаимосвязанных масштабах. [ нужна цитата ]
Захватывающие новые разработки в области биотехнологии в настоящее время производят революцию в биологии и биомедицинских исследованиях . Примерами этих методов являются высокопроизводительное секвенирование , высокопроизводительная количественная ПЦР , внутриклеточная визуализация, гибридизация экспрессии генов in-situ , методы трехмерной визуализации, такие как световая флуоресцентная микроскопия и оптическая проекционная (микро)компьютерная томография . Учитывая огромные объемы сложных данных, генерируемых этими методами, их осмысленная интерпретация и даже хранение создают серьезные проблемы, требующие новых подходов. Выйдя за рамки нынешних подходов биоинформатики, вычислительная биология должна разработать новые методы обнаружения значимых закономерностей в этих больших наборах данных. Реконструкция генных сетей на основе моделей может использоваться для систематической организации данных об экспрессии генов и для руководства сбором данных в будущем. Основная задача здесь состоит в том, чтобы понять, как регуляция генов контролирует фундаментальные биологические процессы, такие как биоминерализация и эмбриогенез . Подпроцессы, такие как регуляция генов , взаимодействие органических молекул с процессом отложения минералов, клеточные процессы , физиология и другие процессы на тканевом и экологическом уровнях, связаны между собой. Биоминерализация и эмбриогенез не управляются центральным механизмом контроля, а могут рассматриваться как возникающее поведение, возникающее в результате сложной системы, в которой происходит несколько подпроцессов в очень разных временных и пространственных масштабах (от нанометров и наносекунд до метров и лет). объединены в многоуровневую систему. Один из немногих доступных вариантов [ какой? ] понять такие системы можно путем разработки многомасштабной модели системы. [ нужна цитата ]
Используя теорию информации , неравновесную динамику и явное моделирование, теория вычислительных систем пытается раскрыть истинную природу сложных адаптивных систем . [ нужна цитата ]
Вычислительная наука и инженерия (CSE) — относительно новая [ количественная ] дисциплина, которая занимается разработкой и применением вычислительных моделей и симуляций, часто в сочетании с высокопроизводительными вычислениями , для решения сложных физических задач, возникающих при инженерном анализе и проектировании (вычислительная инженерия). ), а также природные явления (вычислительная наука). CSE был описан [ кем? ] как «третий способ открытия» (рядом с теорией и экспериментированием). [13] Во многих областях [ в каких? ] , компьютерное моделирование является неотъемлемой и, следовательно, необходимой для бизнеса и исследований. Компьютерное моделирование дает возможность вводить поля [ какие? ] , которые либо недоступны для традиционных экспериментов, либо проведение традиционных эмпирических исследований непомерно дорого. CSE не следует путать ни с чистой информатикой , ни с компьютерной инженерией , хотя в CSE используется широкая область первой области (например, определенные алгоритмы, структуры данных, параллельное программирование, высокопроизводительные вычисления) и некоторые проблемы во второй. можно моделировать и решать с помощью методов CSE (как область применения). [ нужна цитата ]
Алгоритмы и математические методы, используемые в вычислительной науке, разнообразны. Обычно применяемые методы включают в себя:
Исторически и сегодня Фортран остается популярным для большинства приложений научных вычислений. [33] [34] Другие языки программирования и системы компьютерной алгебры, обычно используемые для более математических аспектов научных вычислительных приложений, включают GNU Octave , Haskell , [33] Julia , [33] Maple , [34] Mathematica , [35] [36 ] ] [37] [38] [39] MATLAB , [40] [41] [42] Python (со сторонней библиотекой SciPy [43] [44] [45] ), Perl (со сторонней библиотекой PDL ), [ нужна ссылка ] R , [46] Scilab , [47] [48] и TK Solver . В более вычислительно интенсивных аспектах научных вычислений часто используются некоторые варианты C или Fortran и оптимизированные алгебраические библиотеки, такие как BLAS или LAPACK . Кроме того, параллельные вычисления широко используются в научных вычислениях для поиска решений больших проблем за разумное время. В этой структуре задача либо делится на множество ядер на одном узле ЦП (например, с помощью OpenMP ), распределяется на множество узлов ЦП, объединенных в сеть (например, с помощью MPI ), либо выполняется на одном или нескольких графических процессорах (обычно с использованием либо CUDA или OpenCL ).
Прикладные программы вычислительной науки часто моделируют изменяющиеся условия реального мира, такие как погода, воздушный поток вокруг самолета, искажения кузова автомобиля при аварии, движение звезд в галактике, взрывное устройство и т. д. Такие программы могут создавать «логическую сетку». ' в памяти компьютера, где каждый элемент соответствует области пространства и содержит информацию об этом пространстве, имеющую отношение к модели. Например, в моделях погоды каждый элемент может составлять квадратный километр; с высотой суши, текущим направлением ветра, влажностью, температурой, давлением и т. д. Программа будет рассчитывать вероятное следующее состояние на основе текущего состояния, с моделируемыми временными шагами, решая дифференциальные уравнения, которые описывают, как работает система, а затем повторяет процесс. для расчета следующего состояния. [ нужна цитата ]
В 2001 году впервые была организована Международная конференция по вычислительной науке (ICCS) . С тех пор он проводится ежегодно. ICCS — конференция А-ранга в рейтинге CORE . [49]
Журнал вычислительной науки опубликовал свой первый выпуск в мае 2010 года. [50] [51] [52] Журнал открытого исследовательского программного обеспечения был запущен в 2012 году . [53] Инициатива ReScience C , посвященная тиражированию результатов вычислений, была запущена на GitHub в 2015 году . [54]
В некоторых учреждениях специализацию по научным вычислениям можно получить как «второстепенную» в рамках другой программы (которая может быть на разных уровнях). Однако в области вычислительных наук появляется все больше программ бакалавриата , магистратуры и докторантуры . Совместная магистерская программа по вычислительным наукам в Амстердамском университете и Свободном университете в области вычислительных наук была впервые предложена в 2004 году. В рамках этой программы студенты:
ETH Zurich предлагает степень бакалавра и магистра в области вычислительных наук и инженерии. Эта степень дает студентам возможность понимать научные проблемы и применять численные методы для решения таких проблем. Направления специализации включают физику, химию, биологию и другие научные и инженерные дисциплины.
Университет Джорджа Мейсона был одним из первых пионеров, впервые предложивших междисциплинарную докторскую степень доктора философии. программа по вычислительным наукам и информатике в 1992 году, которая была сосредоточена на ряде специальных областей, включая биоинформатику , вычислительную химию , земные системы и глобальные изменения, вычислительную математику , вычислительную физику , космические науки и вычислительную статистику . [ нужна цитата ]
Школа вычислительных и интегративных наук Университета Джавахарлала Неру (бывшая Школа информационных технологий [55] [ необходима проверка ] ) также предлагает [ необходима проверка ] яркую магистерскую программу по вычислительной науке с двумя специальностями: вычислительная биология и сложные системы . [56]
