數學(xué)是一門(mén)基礎學(xué)科，它的水平關(guān)乎其它領(lǐng)域科學(xué)研究的發(fā)展。隨著(zhù)電子計算機的快速發(fā)展，以數學(xué)為基礎的科學(xué)計算已成為與理論和實(shí)驗并駕齊驅的現代三大科學(xué)方法之一。

2011年，我國首個(gè)以數學(xué)學(xué)科為主導的國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“高性能科學(xué)計算的基礎算法與可計算建?！闭絾?dòng)，2020年底結束評估。10年里，高性能科學(xué)計算與相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域深度融合，緊緊抓住數學(xué)這個(gè)“牛鼻子”，為諸多科學(xué)難題的解決提供了強勁的驅動(dòng)力。 

2016年，楊超（左四）登上戈登貝爾獎領(lǐng)獎臺。此后，在該重大研究計劃的支持下，我國先后于2017年和2020年兩次問(wèn)鼎該獎。 

當今，科學(xué)計算已成為與理論和實(shí)驗并駕齊驅的現代三大科學(xué)方法之一，利用應用數學(xué)和計算機科學(xué)所提供的計算能力理解和解決科學(xué)與工程領(lǐng)域中的問(wèn)題，成為了促進(jìn)現代科學(xué)發(fā)現與科技進(jìn)步的重要手段。 

日前，我國首個(gè)以數學(xué)學(xué)科為主導的國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“高性能科學(xué)計算的基礎算法與可計算建?！保ㄒ韵潞?jiǎn)稱(chēng)重大研究計劃）結束評估。10年里，我國科研人員以數學(xué)研究面向國家重大需求和國際科學(xué)前沿，將高性能科學(xué)計算應用在攻克數理科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、工程與材料科學(xué)、信息科學(xué)、醫學(xué)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)難題中。 

該重大研究計劃專(zhuān)家組第一任組長(cháng)（由于工作變動(dòng)，該計劃后兩年由陳志明院士擔任組長(cháng)）、北京應用物理與計算數學(xué)研究所研究員、中國科學(xué)院院士江松告訴《中國科學(xué)報》：“在100多個(gè)團隊和1000多名研究人員的共同努力下，我國高性能科學(xué)計算逐步向國際科學(xué)前沿靠攏?！?span style="text-indent: 2em;"> 

“架橋梁”需要幾步？ 

數學(xué)是自然科學(xué)的基礎，也是重大技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展的基礎，主要依靠可計算建模與基礎算法發(fā)揮作用，解決實(shí)際問(wèn)題。然而，長(cháng)期以來(lái)，基礎算法研究和實(shí)際問(wèn)題解決的“兩張皮”現象突出。許多專(zhuān)家明白，這一現象的背后實(shí)際上存在科研人員的慣性思想，導致各自為政開(kāi)展研究。 

江松回憶：“2011年前后，專(zhuān)家們和國家自然科學(xué)基金委員會(huì )（以下簡(jiǎn)稱(chēng)自然科學(xué)基金委）數理科學(xué)部管理者經(jīng)過(guò)多次研討一致認為，給基礎算法研究和解決科學(xué)領(lǐng)域實(shí)際問(wèn)題這兩個(gè)環(huán)節‘架橋梁’已經(jīng)迫在眉睫?！?span style="text-indent: 2em;"> 

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

在“架橋梁”的共識基礎上，專(zhuān)家組和管理組將“問(wèn)題導向”視為實(shí)施該重大研究計劃的首要落腳點(diǎn)。 

“在核心科學(xué)問(wèn)題的設計上，專(zhuān)家組和管理組把‘頂天和立地’作為目標?！苯筛嬖V《中國科學(xué)報》，“在立足于國際學(xué)科前沿開(kāi)展基礎算法研究的同時(shí)，也要面向國家重大需求中的科學(xué)計算難題提出解決方案，進(jìn)行可計算建模研究?！?span style="text-indent: 2em;"> 

具體實(shí)施過(guò)程中，“架橋梁”工程通過(guò)3步進(jìn)行。第一步，尋找“橋墩”。他們在數值計算的共性高效算法、基于機理與數據的可計算建模、問(wèn)題驅動(dòng)的高性能計算與算法評價(jià)3個(gè)層面廣泛進(jìn)行項目培育。第二步，“擰緊螺絲”、組合“結構”，即選取重點(diǎn)支持項目開(kāi)展組合研究。第三步，建好“橋面”，通過(guò)集成基礎算法、可計算建模、極端條件下的物理現象、生物信息與疾病、大氣與反問(wèn)題和共性算法的高效實(shí)現等6大項目群，以解決一大批實(shí)際問(wèn)題。 

正是在上述總體思路的指導下，該重大研究計劃取得了許多解決“兩張皮”問(wèn)題的代表性成果。例如，圍繞在實(shí)驗室實(shí)現可控核聚變，科研人員設計多個(gè)有效算法并將其應用于我國神光III激光裝置的黑腔、內爆實(shí)驗設計與分析等物理研究工作，實(shí)現用算法模擬核聚變過(guò)程。圍繞精準預測航天器回程落點(diǎn)，科研人員開(kāi)展巨型計算機高效計算實(shí)現航天器再入全流域超大規模計算與應用驗證研究，成功應用在天宮一號、天宮二號等返回任務(wù)中，將位置預測的偏差降低到米量級，提前鎖定解體殘骸碎片落區散布范圍。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(shù)、集成電路等領(lǐng)域，極大促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。 

2020年底，該重大研究計劃結題時(shí)，全體專(zhuān)家組和管理工作組成員欣慰地看到，重大研究計劃實(shí)施的十年里，我國高性能科學(xué)計算研究取得了跨越式發(fā)展，有力推動(dòng)解決了前沿科學(xué)研究和國家重大需求提出的計算難題，“兩張皮”問(wèn)題得以初步解決。 

給科學(xué)家團隊“做媒” 

在重大研究計劃實(shí)施的十年里，眾多專(zhuān)家組成員跑遍全國各地100多個(gè)項目組，在進(jìn)行監督考察、指導評價(jià)工作之外，為各課題組“做媒”成為他們工作的重中之重。

以數學(xué)為統籌解決實(shí)際科學(xué)問(wèn)題中的計算難題，必須進(jìn)行跨學(xué)科的深度交叉。得益于高性能科學(xué)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(gè)項目群里，產(chǎn)生了從問(wèn)題到算法的大批優(yōu)秀成果。 

從選取基于問(wèn)題的項目培育開(kāi)始，專(zhuān)家組就一直以“牽線(xiàn)搭橋”方式促進(jìn)多個(gè)不同學(xué)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(wèn)題解決方向的課題組相互“介紹對象”。同時(shí)，管理組在基金政策和組織形式方面給予大力指導和支持，以保證交叉合作的順利推進(jìn)。 

湖南師范大學(xué)劉紅榮團隊與上海交通大學(xué)和北京大學(xué)的圖像處理算法團隊的合作就是一段“佳話(huà)”。2015年，專(zhuān)家組發(fā)現，劉紅榮團隊在前期項目培育階段已經(jīng)在“靜態(tài)生物體”相關(guān)研究中取得具有國際領(lǐng)先水平的重要成果。在一次交流中，劉紅榮向專(zhuān)家組表示，動(dòng)態(tài)過(guò)程圖像處理算法不足，限制了他們的進(jìn)一步研究。 

專(zhuān)家組“秒懂”了劉紅榮的難處。他們馬上聯(lián)系到該重大研究計劃資助的圖像處理算法團隊，將三個(gè)團隊合并為集成項目。 

最終，集成團隊在冷凍電鏡生物大分子活性動(dòng)態(tài)三維重構算法基礎研究與應用研究方面取得突出進(jìn)展，形成了擁有自主知識產(chǎn)權的三維重構軟件，初步發(fā)展了超大型生命分子機器的全原子動(dòng)力學(xué)重建新方法。相關(guān)成果發(fā)表于《自然》《自然—通訊》等國際期刊上。 

不僅如此，據江松介紹，專(zhuān)家組還把已經(jīng)在“談戀愛(ài)”、有相關(guān)合作的項目推進(jìn)“婚姻殿堂”，甚至還推動(dòng)不同大項目之間的“聯(lián)姻”，共同集成大方向下的核心科學(xué)成果。 

“冷板凳”怎么坐“熱”？ 

數學(xué)是人類(lèi)利用科學(xué)手段探索自然的基礎工具，自由探索型基礎數學(xué)研究和目標導向型應用數學(xué)研究是其兩個(gè)主要研究類(lèi)別。和快速做出成果的應用數學(xué)研究不同，基礎數學(xué)研究往往意味著(zhù)研究人員可能坐上了長(cháng)期沒(méi)有成果的“冷板凳”。 

2018年以來(lái)，國家及相關(guān)部門(mén)陸續制定多份文件強調基礎研究的重要性，將數學(xué)置于重要地位，明確指出“數學(xué)實(shí)力的提高往往意味著(zhù)國家實(shí)力的增強”。 

作為我國第一個(gè)數學(xué)學(xué)科的重大研究計劃，以數學(xué)學(xué)科為引領(lǐng)的諸多研究成果實(shí)實(shí)在在地被用于多項科學(xué)問(wèn)題的解決，讓數學(xué)真正成為基礎科學(xué)中的基礎，成為把“冷板凳”坐“熱”的典范。

在專(zhuān)家們看來(lái)，重大研究計劃的實(shí)施也為應用數學(xué)學(xué)科發(fā)展提供了可參考的經(jīng)驗。江松認為，數學(xué)學(xué)科自由探索型的基礎研究往往做出“從0到1”的突破，繼而改變整個(gè)科學(xué)界的發(fā)展范式；而目標導向的應用型基礎研究則是對突破后新范式的無(wú)限延伸發(fā)展，將新的基礎研究成果廣泛應用于科學(xué)研究和社會(huì )各行各業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題?！皟墒肿?，兩手硬?！彼麖娬{。 

近年來(lái)，自然科學(xué)基金深化改革的重要舉措之一是明確資助導向，將科學(xué)問(wèn)題屬性分為4類(lèi)，即鼓勵探索、突出原創(chuàng )；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，對于不同科學(xué)問(wèn)題屬性的分類(lèi)評審工作也逐步推進(jìn)。 

江松告訴《中國科學(xué)報》：“新的資助導向將改變對數學(xué)研究的評價(jià)，避免‘一刀切’。而評價(jià)將進(jìn)一步作為開(kāi)展數學(xué)研究的‘指揮棒’，引領(lǐng)科研工作?！崩?，自由探索型的數學(xué)研究解決問(wèn)題時(shí)間長(cháng)、所需投入少，需要更持久、更有耐心的投入，而大工程式作業(yè)的應用型數學(xué)研究涉及不同學(xué)科的交叉融合，涉及人員多、投入大、問(wèn)題明確、時(shí)間緊，則更需要大手筆、考核標準明確的科研投入和考核機制。 

讓優(yōu)秀人才脫穎而出 

該重大研究計劃為我國高性能科學(xué)計算領(lǐng)域培養出一大批學(xué)術(shù)中堅力量。 

從啟動(dòng)到落幕的十年里，經(jīng)歷過(guò)培育項目—重點(diǎn)支持項目—集成項目三輪資助的各個(gè)項目群里誕生了一批突出/突破成果，高性能科學(xué)計算領(lǐng)域的學(xué)術(shù)新手們在這里和重大研究計劃一起，走出了自己的學(xué)術(shù)成長(cháng)之路。 

北京大學(xué)數學(xué)科學(xué)學(xué)院教授楊超就是代表之一。2011年，時(shí)任中國科學(xué)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，隨后又進(jìn)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，楊超與合作者在異構區域分裂算法領(lǐng)域陸續取得突破，應用成果問(wèn)鼎2016年的戈登貝爾獎。這是29年來(lái)國際高性能科學(xué)計算的“第一梯隊”中，首次有了中國學(xué)者的身影。此后，在該重大研究計劃的支持下，我國又先后于2017年和2020年兩次問(wèn)鼎該獎。 

如今，楊超已成長(cháng)為該領(lǐng)域的青年學(xué)術(shù)帶頭人?！爸卮笱芯坑媱潎@一個(gè)共同目標把研究人員集中起來(lái)，是一種有組織的基礎研究，成效非常之好，這種模式對于應用基礎研究有很強的推動(dòng)作用，值得持續開(kāi)展?！睏畛嬖V《中國科學(xué)報》。 

據了解，在項目實(shí)施過(guò)程中，5名項目負責人被增選為中國科學(xué)院院士、11人獲得國家杰出青年科學(xué)基金項目資助，通過(guò)重大研究計劃“聯(lián)姻”的許多課題組還在繼續合作開(kāi)展更進(jìn)一步的研究，大批研究生進(jìn)入相關(guān)院校和科研單位，眾多年輕學(xué)者加入了高性能科學(xué)計算領(lǐng)域的研究…… 

未來(lái)，人工智能、機器學(xué)習、百億次計算以及大氣海洋環(huán)境模擬等前沿課題將成為高性能科學(xué)計算進(jìn)一步發(fā)展的重要方向?！懊嫦驀抑卮笮枨?，搶占計算科學(xué)發(fā)展的國際制高點(diǎn)，在國際新形勢下發(fā)展自主科學(xué)與工程計算軟件是中國高性能科學(xué)計算不變的目標和希冀?！苯筛嬖V《中國科學(xué)報》。 

來(lái)源：《中國科學(xué)報》