美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首席研究員講述機器學習如何推動研究突破。

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

現(xiàn)年 45 歲的美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首席研究員表示：“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 月的一個早晨，Spears 收到了實驗結(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

在確認自己沒有看錯后，Spears 急忙下樓告訴妻子這個消息。他的妻子是美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一名化學工程師，負責研究開創(chuàng)性的 3D 打印玻璃技術(shù)。她也曾參與過這個核聚變項目。

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

在實驗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導的新聞截圖……我們開創(chuàng)了人類的一項偉大事業(yè)。”

Brian Spears

Spears 透露了一些技術(shù)細節(jié)。

“我們使用 200 萬焦耳的激光能量粉碎了一個比鏡子光滑 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 幫助科學家掌控實驗

在實驗前一周，Spears 的團隊分析了其精密的 HPC 設(shè)計，然后用 AI 預測了結(jié)果：兩個原子將融合成一個，在名為“點火”的過程中釋放出能量。

這是數(shù)千次AI預測中最激動人心的一次。如今，AI 與 HPC 已成為現(xiàn)代科學的“左膀右臂”：團隊先在 HPC 模擬中設(shè)計實驗，然后用實際結(jié)果中得到的數(shù)據(jù)訓練AI模型，進一步完善下一次模擬。

AI 能夠發(fā)現(xiàn)人類難以察覺的實驗細節(jié)。例如，當研究者使用 192 個激光器引發(fā)靶丸內(nèi)爆以實現(xiàn)聚變時，AI 追蹤到了靶丸內(nèi)部的微小缺陷所產(chǎn)生的影響。

聚變實驗內(nèi)部情況

(圖片來源：美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室)

Spears 表示：“我們需要 AI 來幫助我們了解整個實驗情況。”

這張“巨大畫布”上繪滿了描述原子物理學復雜細節(jié)的數(shù)學。

一個實驗可能需要進行數(shù)十萬次規(guī)模相對較小的模擬。每個模擬都需要在一臺超級計算機的一個節(jié)點上花費半天時間。

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 指導實驗

AI 還能幫助科學家們打造“自動”實驗。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)它們實時處理的結(jié)果，瞬間決定以何種方式進行實驗。

例如 Spears 和他的同事去年與 NVIDIA 一起開展了一項由 AI 指導的實驗。該實驗?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)造出了這種強光束。如果由人類來設(shè)計這個實驗，可能需要花上幾個月乃至幾年的時間。這種邊緣 AI 實驗方法將為各個領(lǐng)域的專家節(jié)省成倍的時間。”

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關(guān)鍵的工作。

駕馭數(shù)據(jù)洪流

Spears 認為，科學和工業(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驗和實驗數(shù)據(jù)超出了我們能夠處理的量級。”

這種曾經(jīng)給科學家造成負擔的數(shù)據(jù)洪流如今已成為機器學習的“燃料”。

“AI 正在幫助科學家恢復對數(shù)據(jù)的主導權(quán)，大大加快了科學研究速度。”

Spears 還負責指導實驗室中另一項與 NVIDIA 等公司合作開展的 AI 項目。

他表示：“NVIDIA 使我們能夠放眼未來，幫助我們進一步將 AI 應(yīng)用于科學研究。”

創(chuàng)造更加光明的未來

這項影響力巨大的艱苦研究將為下一代打造一個更加堅韌的地球。

當 Spears 被問及他的兩個女兒是否準備進入科學界工作時，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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