中国科学院院士汤涛：新格局下国产科学计算软件的发展思考

来源：北大振寰

作者：汤涛

12月17日-18日，由《财经》杂志、财经网、《财经》智库、财通汇联合主办的“《财经》年会2023：预测与战略”在北京举行。中国科学院院士、美国工业与应用数学学会学士、北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院校长汤涛发表主题演讲。

在发言中，汤涛院士表示：在发展国产科学计算软件的初始阶段，我特别想提到北京大学重庆大数据研究院基础软件科学研究中心开发的北太天元软件。

由北京大学数学科学学院副院长、北京大学重庆大数据研究院基础软件科学研究中心主任李若教授领军并组建的专业团队，一直在致力于研发国产科学计算软件，做出了开拓性的贡献。这款软件已突破科学计算软件内核的根技术，在科学计算领域得到了良好的反响。目前，该产品已进入成果转化阶段并成立北太振寰（重庆）科技有限公司，推进产品市场化运营工作。

汤涛院士的关注与肯定使我们深受鼓舞。北太天元数值计算通用软件（以下简称“北太天元”）将牢牢把握自主创新的关键技术，持续攻关克难，积极构建以应用数学为基础的技术生态、应用生态与产业生态。

汤涛院士还指出，国外相关软件禁用事件的余波会引起连锁反应，研发具有我国自主知识产权的数值计算软件刻不容缓。科学计算已经成为除理论和实验之外的科学研究的第三种基本手段，同时也是解决工程问题的重要基础性工具，是进一步发展并提升国家高端科技与高端制造技术的核心工具。因此，发展国产科学计算软件关乎到国家前途，是关乎国家命运是否掌握在我们自己手中的头等大事。

汤涛院士在谈到国产通用型科学计算软件的发展重点时，他提到在突破国产科学计算软件内核根技术后，如何做得更好、更深入，是值得认真思考的：比如如何更好地开发国产底层数学库，实现更高效的解释与编译工具；在具备可扩展技术的同时，如何进行技术生态的建设；如何将数据格式的兼容性统一等等问题都需要人力、场景、时间，需要多次迭代，需要企业提出需求，需要有专家提出问题，有技术人员提出方案，才能够使得软件有更好的发展。

现在，国内科学计算软件领域已经有不少声音，从学界到产业界都得到了充分的重视。我们需要注重以下的情况：

科研成果不能只在学术界研究，更应该到企业中运用；

中国科学家在科学计算的算法研究上，在世界上处于非常领先的地位，但是需要形成具有竞争力的数学生态，需要集体合作；

应用数学的复合型研发人才培养方式也优先需要考虑，需要与时俱进。

在以上三点情况下，通过内部立项、重大专项课题、揭榜挂帅等方式解决科研闭环工作，从而推动实际生产问题，加强与产业界的合作也非常重要。

汤涛院士还谈到，国产科学技术软件的发展势必离不开生态的建设。以高校为代表的科研生态是科学计算软件必不可少的环节，从理论研究到成果实现，是核心技术的发源地。以企业为代表的行业生态是技术孵化与迭代的土壤，通过解决问题，提升科研成果的成熟度。科学计算软件不可或缺的还有开发者，这个角色将直接影响一个技术型生态的发展与走向。总之，只有各方通力合作，才能更好地发展新技术。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。各行各业的发展需求是科学计算软件成长的沃土，只有不断经过实际问题的历练才能使其更加成熟。

在此，北太天元诚邀广大开发者共论技术创新，在合作中实现共赢！我们也期待与不同领域的企业开展产业合作，我们将结合实际场景问题、不断优化产品功能与服务，共同推进国产化替换进程，助力国家战略性新兴产业发展！

以下为汤涛院士发言全文：

非常高兴能跟大家分享一下我对新格局下国产科学计算软件发展的思考。我是汤涛，来自北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院。我们的学院是在广东省的珠海市。

一、科学计算软件及其应用

     

科学计算是指利用计算机再现、预测和发现客观世界运动规律和演化特性的全过程，包括建立数学物理模型，研究计算方法，设计并行算法，研制应用程序，开展模拟计算和分析计算结果等过程。

科学计算需要处理的问题是科学研究和工程技术中遇到的数学方程或数据相关的计算。在现代科学和工程技术中经常会遇到大量复杂的数学或数据问题。这些问题需要量化，比如天气预测、地震预测、核爆炸破坏强度等等。其量化需要计算，需要依赖大型计算机的帮助。在计算机出现之前，科学研究和工程设计主要依靠实验或试验提供数据，计算仅处于辅助地位。计算机的迅速发展使越来越多的复杂计算成为可能。自上个世纪 50 年代开始，利用计算机进行科学计算带来了巨大的经济效益，包括飞机设计、汽车设计、水坝设计等等都需要科学计算的知识。科学计算同时也使科学技术研究本身发生了根本变化。传统的科学技术只包括理论和实验两个组成部分，主要是理论手段和实验手段。使用计算机之后，计算已成为同等重要的第三个组成部分。我们有理论，我们有实验，还有计算这三个部分。

总的来说，在科学研究中，计算可以再现、预测和发现客观规律，使它变成现代科学中独立于理论和实验的第三大手段，并且具有独特的优势。后面我会谈到它的优势在哪里。在现代科学和工程计算中，经常会遇到大量复杂的问题，其描述可以用数学上的微分方程来描述，但找到这些方程的准确解犹如大海捞针。而科学计算则利用科学原理对微分方程进行合理的数值离散，把无限维的问题化解成有限维问题，通过计算机计算能力的不断提升，得到令人满意的近似答案，包括可视化结果。这类操作可以解决很多复杂的实际问题，得到了非常广泛的应用。

二、科学计算的优势

     

科学计算到底有哪些优势？主要有两个主要的优势。

第一个，科学计算没有损伤，能够承担真实实验不能完成的研究工作。例如研究海啸、地震、核爆炸的破坏等。人类不可能进行真实实验，但可以进行科学计算来模拟场景。

第二，科学计算具有成本低、可重复的特点，能够极大降低真实实验所需的成本、提高研究效率。研究人员通过改变数据，就可以根据需要获得任何一个时刻、任何一个地点中研究对象发展和演化的大部分信息，进而可以充分了解和细致认识研究对象的发展与演化。

科学计算主要有三个环节，第一个是数学建模，其次是算法设计，到最后是计算机实现。科学计算可以提供全过程、全时空的定性甚至定量的认识，处理更复杂、更困难的实际问题。如何把实际问题数学模型化转化为计算问题，是科学计算的首要任务。而设计算法到计算机实现，最终成为软件，是科学计算的重要目标。后面我也会专门谈谈科学计算软件这一重要目标。

三、科学计算体现应用数学价值观

     

从价值观的角度来，科学计算具有应用数学的价值观：多元、交叉、落地。在理论研究方面，科学计算可以根据应用数学的多元分支形成各类专用软件。在学科交叉方面，科学计算可以支持相关问题，如材料、工程、生命科学等问题的研究与计算。在应用落地方面，在任何场景下都脱离不开算法和模型。

四、科学计算的重要支柱

     

在新一代信息技术的发展下，数据科学软件开发也离不开科学计算的能力。在全球范围内，科学计算软件包罗万象，以符号计算类、数值计算类为主要类型。在符号计算类软件中，以Mathematica（商业）、Maple（商业）、Maxima（开源）为主，数值计算类软件以COMSOL多物理场模拟（商业）、VASP电子结构计算（开源）、OpenFOAM流体力学模拟（开源）、OOFFM微磁模拟、Gmsh网格生成（开源）等。

近年来，随着西方国家对我们在科技领域的所谓的制裁，目前MATLAB和ANSYS两个软件在国内部分高校机构都无法使用。而这两款软件是目前全球范围内在该领域的佼佼者。这也就是今天需要与大家分享的一个重点。

五、国产科学计算软件的重要意义

     

2020 年 6 月，美国 MathWorks公司让国内部分高校、科研机构、企业在已经授权的情况下禁止使用他们的产品MATLAB。这个消息出来以后，当然让全球的科学家也一片哗然。我们有至少有 17 所高校被禁止用MATLAB，涉及到航天航空技术、材料、仪器、计算机工程、人工智能等多个领域，包括北航、北理工、哈工大、哈工程、西北工大等高校。

据调研，MATLAB通用型科学计算软件可以支持多达 15 个行业以上。MATLAB数值计算软件作为业内的领军软件，早在 80 年代即进入了中国市场，且国内依赖程度高，市场需求大，禁用的余波会引起连锁反应。因此研发具有我国自主知识产权的数值计算软件已经刻不容缓，这也是解决国家战略科技力量被“卡脖子”的一项关键核心技术攻关项目。

科学无国界，但科学家是有国界的。MATLAB 目前已经是科学计算软件的代名词，全国各高校的理工科院系课程基本都是通过 MATLAB 进行教学与科研的。MATLAB的禁用，意味我们的教材、基础科研将受到重大影响，同时也意味着我们国家在基础学科上将受到极大的挑战。

当前，科学计算已经成为除理论和实验之外的科学研究的第三种基本手段，我之前已经提到了，同时也是解决工程问题的重要基础性工具，是进一步发展并提升国家高端科技与高端制造技术的核心工具。因此，发展国产科学计算软件的事关乎到国家前途，是关乎国家命运是否掌握在我们自己手中的头等大事。

六、北太天元数值计算通用软件成功研发的意义

     

如果将科学计算产业比作是一棵树，计算领域的根技术就是围绕基础软件或者软硬件的一个根系，是最重要的部分。它能够持续为整个产业树提供滋养，很大程度上决定着产业发展的兴衰。在科学计算产业领域，根系中对应着一个或多个重要的技术群。只有根系够足够大、足够强大，才能支撑起让科学计算软件进入黄金时代的远大理想。

在目前发展国产科学计算软件的初始阶段，我特别想提到北京大学重庆大数据研究院基础软件科学研究中心开发的北太天元软件。该软件拥有基本算法的实现能力，是能够把计算能力发挥出来的基础软件，可以为科研和工程领域搭建科学计算的平台。当然了，这个软件对标的就是 MATLAB软件。由北京大学数学科学学院副院长、北京大学重庆大数据研究院基础软件科学研究中心主任李若教授领军并组建的专业团队，一直在致力于研发国产科学计算软件，克服了巨大的困难，做出了开拓性的贡献。他们的计算软件北太天元数值计算通用软件，目前正在科学计算领域得到了良好的反响。

北大重庆大数据研究院软件科学研究中心自主研发的北太天元数值计算通用软件，作为面向科学与工程计算领域的高级编程语言，是支持建立数学物理模型、研究计算方法、设计并行算法、研制应用程序、开展模拟计算和分析计算结果等过程的关键核心基础软件。这款软件目前已突破科学计算软件内核的根技术，在完全完成软件专利的基础上，成果适配了国内软硬件环境。据了解，北太天元底层数学函数替换率为72%，功能函数替换率为34%，并于 2022 年支持全国大学生数学建模竞赛，成功承接重庆市工业和信息化领域“揭榜挂帅”面向新能源汽车的国产科学计算与模拟仿真软件开发项目。到目前为止，试用的高校已经有 160 多所，软件用户量在 4000 人以上。

当然，这个数据还在不断地提升。目前，该产品已进入成果转化阶段并成立北太振寰（重庆）科技有限公司，推进产品市场化运营工作。

七、国产通用型科学计算软件的发展重点

     

我相信北太天元的研发成功，势必会刺激国内该领域的市场。但通用型科学计算软件是一种底层的、基础性的软件，开发周期长，技术难度大，高层次人才需求量大。

在突破国产科学技术软件内核根技术后，如何做得更好，做得更深入，是值得我们认真思考的。比如如何更好地开发国产底层数学库，实现更高效的解释与编译工具，在具备可扩展技术的同时，如何进行技术生态的建设。在这方面，国外已经做得相当成熟了。如何将数据格式的兼容性统一等等问题都需要人力、场景、时间，需要多次迭代，需要有专家提出问题，有技术人员提出方案，才能够使得软件有更好的技术和更好的发展。

实际上，在全球范围内，中国科学家在算法和专用型数值计算软件中位于很领先的地位，并在有关的算法的顶级杂志上，中国人发表的论文数量和质量都位于前列。有很多算法被国外的通用型数值计算软件集成并采用，得到了广泛的应用。因此，解决通用型科学计算软件“卡脖子”的根本问题不只是技术问题，而是需要培养一批一大批拥有软件研发能力、学科背景、科学背景的领军人才和专业技术人才来解决问题。

现在，国内科学计算软件领域已经有不少声音，从学界到产业界都得到了充分的重视。我们需要注重以下的情况：科研成果不能只在学术界研究，更应该到企业中运用；中国科学家在科学计算的算法研究上，在世界上处于非常领先的地位，但是需要形成具有竞争力的数学生态，需要集体合作；应用数学的复合型研发人才培养方式也优先需要考虑，需要与时俱进。

在以上三点情况下，通过内部立项、重大专项课题揭榜挂帅等方式解决科研闭环工作，从而推动实际生产问题，加强与产业界的合作也是非常重要的。

八、生态发展是科学计算软件的必经之路

     

总而言之，科学计算软件领域涉及的学科、专业、行业众多，国产科学技术软件的发展势必离不开生态的建设。这里的生态包含了科学计算软件的方方面面，底层函数、数学库、运行环境、算法模型、求解器、行业应用等等。其中，以高校为代表的科研生态是科学计算软件必不可少的环节，从理论研究到成果实现，是核心技术的发源地。以企业为代表的行业生态是技术孵化与迭代的土壤，通过解决问题，提升科研成果的成熟度。

其次，科学计算软件不可或缺的就是开发者。开发者可以是个人，也可以是机构，这个角色将直接影响一个技术型生态的发展与走向。开发者能够结合自身行业特点，形成更加有影响力的算法、模型、求解器，甚至一些专业的工具箱，从而影响高校与行业研究与使用，使得高校的研究与行业的发展能够更紧密地结合在一起。因此，生态发展是科学计算软件需要走的必经之路，只有各方通力合作，才能更好地发展新技术。

科学计算软件在西方已经走过了 40 多年、接近 50 年的历史行程，经过了多轮的迭代。对于咱们国家来说，这才是刚刚起步的一项工程，有很多事情要做。而想追上或想超过，还有很多的挑战。但是我相信只要我们能充分重视，合理规划生态发展，培养一大批高质量的人才，我们就可以真正解决通用型科学计算软件“卡脖子”的根本问题，建立起高水平的国产计算软件。