聚变反应：人工智能与高性能计算如何为科学注入活力

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室首席研究员讲述机器学习如何推动研究突破。

Brian Spears 认为多亏了人工智能（AI）和高性能计算（HPC）模拟，他的孩子才能居住在一个更加可持续的地球上。

现年 45 岁的美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室首席研究员表示：“我相信我有生之年能看到核聚变能源，并且我的女儿们将会生活在一个由核能源驱动的世界。” Brian Spears 曾展示过这种清洁且充裕的能源的物理特性，引起了全世界的瞩目。

去年 12 月的一个早晨，Spears 收到了实验结果的邮件通知。

他回忆道：“我揉了揉眼睛，确定自己没有看错数字。”

“核”心家庭

在确认自己没有看错后，Spears 急忙下楼告诉妻子这个消息。他的妻子是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一名化学工程师，负责研究开创性的 3D 打印玻璃技术。她也曾参与过这个核聚变项目。

Spears 打趣道：“有个朋友说我们家就像是活在《星际迷航》中。我研究曲速核心，她研究复制器。”

在实验室正式宣布该研究的消息后，Spears 通过社交媒体向全世界表达了他的兴奋之情，引发了热议。

“这充满惊喜的一天把我弄得筋疲力尽……女儿们给我发了她们爸妈的研究被争相报导的新闻截图……我们开创了人类的一项伟大事业。”

Brian Spears

Spears 透露了一些技术细节。

“我们使用 200 万焦耳的激光能量粉碎了一个比镜子光滑 100 倍的靶丸。该靶丸内爆后只剩下头发一半的厚度。我们在 100 万亿分之一秒内产生了 10 拍瓦的能量，这是太阳系中最亮的东西。”

AI 帮助科学家掌控实验

在实验前一周，Spears 的团队分析了其精密的 HPC 设计，然后用 AI 预测了结果：两个原子将融合成一个，在名为“点火”的过程中释放出能量。

这是数千次AI预测中最激动人心的一次。如今，AI 与 HPC 已成为现代科学的“左膀右臂”：团队先在 HPC 模拟中设计实验，然后用实际结果中得到的数据训练AI模型，进一步完善下一次模拟。

AI 能够发现人类难以察觉的实验细节。例如，当研究者使用 192 个激光器引发靶丸内爆以实现聚变时，AI 追踪到了靶丸内部的微小缺陷所产生的影响。

聚变实验内部情况

(图片来源：美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室)

Spears 表示：“我们需要 AI 来帮助我们了解整个实验情况。”

这张“巨大画布”上绘满了描述原子物理学复杂细节的数学。

一个实验可能需要进行数十万次规模相对较小的模拟。每个模拟都需要在一台超级计算机的一个节点上花费半天时间。

其中最大的 3D 模拟 Kitchen sink 消耗了全球第六快 HPC 系统 Sierra 的约一半算力。该系统装有 17280 颗 NVIDIA GPU。

边缘 AI 指导实验

AI 还能帮助科学家们打造“自动”实验。神经网络能够根据它们实时处理的结果，瞬间决定以何种方式进行实验。

例如 Spears 和他的同事去年与 NVIDIA 一起开展了一项由 AI 指导的实验。该实验能够每秒发射三次激光，创造出了有望治疗癌症患者的质子束。

Spears 表示：“我们只用了一天就创造出了这种强光束。如果由人类来设计这个实验，可能需要花上几个月乃至几年的时间。这种边缘 AI 实验方法将为各个领域的专家节省成倍的时间。”

在未来的核聚变反应堆中，指挥每秒发射多次激光也将是一项关键的工作。

驾驭数据洪流

Spears 认为，科学和工业领域将广泛感受到 AI 的影响。

他表示：“我们过去十年中的模拟实验和实验数据超出了我们能够处理的量级。”

这种曾经给科学家造成负担的数据洪流如今已成为机器学习的“燃料”。

“AI 正在帮助科学家恢复对数据的主导权，大大加快了科学研究速度。”

Spears 还负责指导实验室中另一项与 NVIDIA 等公司合作开展的 AI 项目。

他表示：“NVIDIA 使我们能够放眼未来，帮助我们进一步将 AI 应用于科学研究。”

创造更加光明的未来

这项影响力巨大的艰苦研究将为下一代打造一个更加坚韧的地球。

当 Spears 被问及他的两个女儿是否准备进入科学界工作时，他笑着说，她们现在都是游泳健将，会吹爵士小号，从生物工程到艺术，她们对一切领域都有兴趣。

“她们的未来有无限可能。”

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原文标题：聚变反应：人工智能与高性能计算如何为科学注入活力

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