美國(guó)能源部呼吁制定十年期AI計(jì)劃

在9月24-25為期兩天的討論會(huì)上，美國(guó)能源部高級(jí)科學(xué)計(jì)算咨詢委員會(huì)（ASCAC）討論并批準(zhǔn)了關(guān)于人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）應(yīng)用于科學(xué)的報(bào)告，該報(bào)告呼吁制定一個(gè)十年期AI計(jì)劃。會(huì)上討論了科學(xué)設(shè)施數(shù)據(jù)急劇增加帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，并就充分利用新計(jì)算能力的戰(zhàn)略提出建議。

2019年7月至10月，阿貢、橡樹嶺和伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等主辦了一系列人工智能會(huì)議，目標(biāo)是“分析未來十年在AI、大數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算(HPC)領(lǐng)域的科學(xué)機(jī)遇，捕捉這些想法、挑戰(zhàn)并采取措施予以實(shí)現(xiàn)。”。2020年2月能源部發(fā)布的《人工智能科學(xué)報(bào)告》記錄了四次系列會(huì)議的討論情況。本次報(bào)告是美國(guó)能源部AI科學(xué)倡議的進(jìn)一步努力。

一、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1. AI、數(shù)據(jù)和HPC的日益融合為加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生跨領(lǐng)域協(xié)同效應(yīng)、提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力提供了重要的歷史機(jī)遇?？茖W(xué)和計(jì)算正處在硅技術(shù)的后摩爾時(shí)代，在復(fù)雜/異構(gòu)系統(tǒng)的可編程性和高效使用，以及數(shù)據(jù)、算法和計(jì)算資源的無縫集成方面迫切需要變革性發(fā)展。利用DOE最先進(jìn)的設(shè)施、人力資源為開發(fā)出強(qiáng)大且可靠的AI系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，這將有助于應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)。

2. AI方法和工具將促進(jìn)科學(xué)發(fā)展，但是現(xiàn)有商業(yè)解決方案和算法還不足以滿足科學(xué)自動(dòng)化和從DOE設(shè)施和數(shù)據(jù)中提取科學(xué)知識(shí)的需求。新算法、基礎(chǔ)研究、工具對(duì)于解決廣泛科學(xué)應(yīng)用中的特定問題至關(guān)重要。AI算法需要能夠處理稀疏、異構(gòu)、未標(biāo)記的數(shù)據(jù)集。AI使能的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和控制對(duì)于DOE設(shè)施的使用優(yōu)化十分必要。

3. DOE科學(xué)辦公室采用AI技術(shù)將使美國(guó)科學(xué)家能夠充分利用DOE科學(xué)設(shè)施中的巨大新進(jìn)展。DOE科學(xué)辦公室為美國(guó)研究人員提供X射線同步加速器、中子源、綜合基因組學(xué)、大氣輻射設(shè)施等多樣化的科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，以及先進(jìn)的HPC設(shè)施。未來，這些基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)以及新設(shè)施的上線將在科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生大量新數(shù)據(jù)，構(gòu)成新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。用于科學(xué)的AI技術(shù)將有利于從這些數(shù)據(jù)源中提取信息和科學(xué)理解。

4.DOE實(shí)驗(yàn)室要通過AI/ML技術(shù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的下一代改變，不僅需要計(jì)算能力和全方位的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，還需要協(xié)調(diào)AI/ML算法、工具和軟件基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)工作。對(duì)DOE科學(xué)辦公室的項(xiàng)目，AI/ML技術(shù)結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算和高性能計(jì)算機(jī)等可以實(shí)現(xiàn)未來科學(xué)和能源研究的轉(zhuǎn)變。但鑒于DOE的許多設(shè)施和科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)I(yè)化性強(qiáng)，無法完全依賴第三方的AI/ML研發(fā)工作來實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，DOE需要應(yīng)對(duì)科學(xué)應(yīng)用程序方面的挑戰(zhàn)。同時(shí)，軟件基礎(chǔ)設(shè)施需要將AI/ML工具和算法的優(yōu)勢(shì)與DOE在模擬和建模方面的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，而且能夠在科學(xué)和能源研究應(yīng)用的高性能計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行。

5.得益于優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)文化，美國(guó)DOE在利用AI/ML技術(shù)應(yīng)對(duì)系列科學(xué)挑戰(zhàn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由科學(xué)用戶、儀器供應(yīng)商、理論科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，在Exascale級(jí)計(jì)算項(xiàng)目已有成功的經(jīng)驗(yàn)。ASCAC認(rèn)為迫切需要將AI/ML技術(shù)納入DOE的所有科學(xué)研究能力中。DOE國(guó)家實(shí)驗(yàn)室需要聯(lián)合大學(xué)、工業(yè)伙伴一起啟動(dòng)大規(guī)模項(xiàng)目以加速DOE的科研能力提升和勞動(dòng)力培養(yǎng)。

6. DOE驅(qū)動(dòng)的AI/ML科學(xué)戰(zhàn)略，其影響將遠(yuǎn)超DOE科學(xué)辦公室項(xiàng)目，將推動(dòng)新的工業(yè)投資，包括加速工程設(shè)計(jì)、合成材料，優(yōu)化能源設(shè)備，并提高硬件和軟件計(jì)算能力。

7.在先進(jìn)AI/ML技術(shù)領(lǐng)域，培養(yǎng)一支專業(yè)的勞動(dòng)力隊(duì)伍將在提高美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。培養(yǎng)、集中和保留AI/ML技術(shù)領(lǐng)域的年輕技術(shù)骨干對(duì)促進(jìn)AI科學(xué)的成功至關(guān)重要。當(dāng)今，AI商業(yè)工具和培訓(xùn)相當(dāng)普遍，但缺乏AI/ML科學(xué)應(yīng)用方面的工具和培訓(xùn)，因此，AI科學(xué)計(jì)劃需要提供AI/ML科學(xué)應(yīng)用方面的工具和環(huán)境以為培養(yǎng)新一代科學(xué)家和工程師。

8.機(jī)構(gòu)間合作和國(guó)際合作對(duì)于實(shí)現(xiàn)AI科學(xué)計(jì)劃的目標(biāo)十分重要。美國(guó)機(jī)構(gòu)間在AI/ML技術(shù)領(lǐng)域存在明顯的協(xié)同作用，美國(guó)DOE應(yīng)該探索可行的機(jī)制與其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作。此外，國(guó)際上其他國(guó)家也認(rèn)識(shí)到了將AI/ML應(yīng)用于科學(xué)的潛在好處，DOE應(yīng)該與志同道合的國(guó)際伙伴共同推進(jìn)AI的科學(xué)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)共贏。

二、主要建議

1.創(chuàng)建一個(gè)為期10年的AI科學(xué)計(jì)劃

這個(gè)計(jì)劃應(yīng)該包括解決DOE關(guān)鍵挑戰(zhàn)的AI科學(xué)方法，以及可以在DOE先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施中部署運(yùn)行的AI解決方案。此外，這個(gè)計(jì)劃應(yīng)該制定明確且具有指導(dǎo)性的研發(fā)路線圖。DOE可以提供先進(jìn)的exascale超級(jí)計(jì)算機(jī)和大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施，這將產(chǎn)生越來越大的科學(xué)數(shù)據(jù)集。DOE還可以提供數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵專業(yè)知識(shí)，以及DOE特定應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。DOE應(yīng)利用現(xiàn)有的專業(yè)知識(shí)優(yōu)勢(shì)積極與志同道合的其他機(jī)構(gòu)和國(guó)家進(jìn)行合作，以實(shí)現(xiàn)利益最大化。

2. AI科學(xué)計(jì)劃的結(jié)構(gòu)

ASCAC建議AI科學(xué)計(jì)劃應(yīng)圍繞四個(gè)主要的AI研發(fā)主題展開：（1）AI使能的應(yīng)用；（2）AI算法和基礎(chǔ)研究；（3）AI軟件基礎(chǔ)設(shè)施；（4）AI的新硬件技術(shù)。ASCAC認(rèn)為這項(xiàng)為期10年的AI科學(xué)計(jì)劃應(yīng)該得到與Exascale計(jì)算計(jì)劃（ECI）和Exascale計(jì)算項(xiàng)目（ECP）相同規(guī)模的資助，而且這四個(gè)主題的工作需要緊密結(jié)合，充分發(fā)揮協(xié)調(diào)效應(yīng)。

3.邊緣計(jì)算創(chuàng)新工具

ASCAC認(rèn)為高級(jí)科學(xué)計(jì)算研究（ASCR）項(xiàng)目應(yīng)與基礎(chǔ)能源科學(xué)（BES）以及科學(xué)辦公室的其他科學(xué)項(xiàng)目緊密合作，聯(lián)合科學(xué)家、用戶和學(xué)術(shù)界社區(qū)等一起定義需求、開展研究、進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性采購(gòu)、設(shè)計(jì)一個(gè)高度集成的端到端系統(tǒng)和軟件組合，將邊緣設(shè)備與所需的AI計(jì)算資源連接起來。大規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)施、空間觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)源整合為邊緣計(jì)算帶來了獨(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，如需要基于前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)來解決基礎(chǔ)研究問題。同時(shí)，邊緣計(jì)算在隱私、安全、數(shù)據(jù)商業(yè)許可和數(shù)據(jù)集成服務(wù)等方面面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，鼓勵(lì)用戶、軟件基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)者、AI/ML研究人員，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界硬件專家，定義和開發(fā)AI/ML邊緣計(jì)算資源通用軟件，并支持跨設(shè)施的通用服務(wù)。

4. AI/ML勞動(dòng)力的培訓(xùn)、集中和保留

隨著AI技術(shù)在各領(lǐng)域的重要性日益增加和AI應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，AI/ML技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人才變得短缺，涉及建模和模擬、大數(shù)據(jù)分析、算法等方面。培養(yǎng)能夠開發(fā)或利用AI技術(shù)和方法的跨學(xué)科專業(yè)人才，對(duì)促進(jìn)科學(xué)、工程、商業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和支持重大決策十分必要。

ASCAC建議集中科學(xué)辦公室的力量培養(yǎng)更加多樣化和更加包容的人才隊(duì)伍。DOE實(shí)驗(yàn)室應(yīng)繼續(xù)培養(yǎng)高質(zhì)量的計(jì)算和數(shù)據(jù)科學(xué)家。此外，DOE應(yīng)該探索類似獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目的人才培養(yǎng)方式，或者探索與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）合作提供AI/ML科學(xué)技術(shù)相關(guān)培訓(xùn)。

5.機(jī)構(gòu)間協(xié)作

美國(guó)NSF在AI基礎(chǔ)研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，而美國(guó)DOE長(zhǎng)期致力于AI/ML在大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用，擁有先進(jìn)的HPC設(shè)施，是涉及“大科學(xué)、大數(shù)據(jù)、大計(jì)算”交叉領(lǐng)域的領(lǐng)先機(jī)構(gòu)。DOE科與美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）在癌癥研究方面已有成功的合作案例，目前，二者簽署備忘錄以推進(jìn)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的合作。ASCAC建議DOE探索與美國(guó)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)在興趣相同和能顯著促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步的領(lǐng)域展開合作

6.國(guó)際合作

未來十年，AI科學(xué)技術(shù)的國(guó)際領(lǐng)先地位取決于AI使能的應(yīng)用、AI算法和基礎(chǔ)研究、AI軟件基礎(chǔ)設(shè)施、AI的新硬件技術(shù)四個(gè)相互依存領(lǐng)域的發(fā)展。當(dāng)前，全球幾乎所有的科學(xué)家都將依賴高端計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析軟件基礎(chǔ)設(shè)施開拓新的研究領(lǐng)域和大幅提升研究效率。AI/ML軟件基礎(chǔ)設(shè)施和算法在exascale系統(tǒng)的應(yīng)用將支撐全球科學(xué)界解決全球性挑戰(zhàn)，但是世界上任何一個(gè)國(guó)家都不能獨(dú)自在短短幾年內(nèi)容承擔(dān)這樣的任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)與國(guó)際志同道合的伙伴的合作，ASCAC建議DOE科學(xué)辦公室從五個(gè)方面進(jìn)行努力：（1）為軟件研究社區(qū)組織提供一個(gè)框架；（2）對(duì)需求、問題和策略進(jìn)行徹底的評(píng)估；（3）發(fā)起制定協(xié)作軟件路線圖；（4）鼓勵(lì)和促進(jìn)在教育和培訓(xùn)方面的合作；（5）協(xié)調(diào)供應(yīng)商的跨領(lǐng)域工作。

原文標(biāo)題：【政策規(guī)劃?智】美國(guó)能源部發(fā)布關(guān)于人工智能應(yīng)用于科學(xué)的報(bào)告

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