美能源部發(fā)布《面向科學(xué)、能源和安全的人工智能》報告

美國能源部(DOE)近日發(fā)布《面向科學(xué)、能源和安全的人工智能》報告，該報告制定了一個全面利用其在世界領(lǐng)先的高性能計算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施方面的現(xiàn)有優(yōu)勢，擴(kuò)大其在人工智能科學(xué)應(yīng)用方面工作的愿景。

一．報告背景

在科學(xué)辦公室（SC）和國家核安全局（NNSA）的指導(dǎo)下，DOE國家實驗室在2022年組織了一系列研討會，收集關(guān)于科學(xué)人工智能新的和快速出現(xiàn)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)的文章。這份《2023年報告》綜合了這些研討會。該報告顯示了DOE獨特的能力如何使社區(qū)能夠推動人工智能科學(xué)應(yīng)用的進(jìn)步，建立在DOE在計算、數(shù)據(jù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施方面的優(yōu)勢和投資之上。此外，能源部擁有獨特的能力，使社區(qū)能夠推動人工智能科學(xué)應(yīng)用的進(jìn)步，建立在DOE在計算、數(shù)據(jù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施方面的長期優(yōu)勢和投資基礎(chǔ)上，跨越能源科學(xué)網(wǎng)絡(luò)（ESnet）、百萬兆級級計算項目(ECP)和綜合計劃，如NNSA國防計劃辦公室高級模擬和計算（ASC）和SC通過高級計算的科學(xué)發(fā)現(xiàn)（SciDAC）程序。

現(xiàn)在，在人工智能進(jìn)步的加速以及捕捉這些進(jìn)步的強(qiáng)大國際活動和投資的推動下，在人工智能領(lǐng)域采取重大和轉(zhuǎn)型舉措的緊迫性正在增加。此外，在面向公眾的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中引入強(qiáng)大的語言模型，如OpenAI、微軟、Meta和谷歌的語言模型，表明迫切需要從根本上理解這些模型的新能力和相關(guān)的社會風(fēng)險。這份報告詳細(xì)說明了利用人工智能推動科學(xué)發(fā)展和解決能源和安全等國家要務(wù)的重要性，提出了一個同樣相關(guān)和迫切需要的研究議程，同時也解決了人工智能促進(jìn)會（AAAI）2023年4月公開信中討論的挑戰(zhàn)，包括“人工智能系統(tǒng)出錯的可能性，提供有偏見的建議，威脅我們的隱私，為不良行為者提供新工具，以及對就業(yè)產(chǎn)生影響”。

二、主要內(nèi)容

在過去的十年中，人工智能（AI）的根本變化已經(jīng)為美能源部（DOE）的廣泛任務(wù)空間帶來了巨大的洞察力。人工智能正在幫助擴(kuò)大和改善國家安全、科學(xué)辦公室和能源部應(yīng)用能源項目的科學(xué)和工程工作流程。人工智能在能源部科學(xué)中的進(jìn)展和潛力在2020年《人工智能促進(jìn)科學(xué)》報告中得到反映。在短期內(nèi)，人工智能的規(guī)模和范圍已經(jīng)加快，揭示了新涌現(xiàn)的屬性，這些屬性產(chǎn)生了超越創(chuàng)造機(jī)會的洞察力，在提出和解決科學(xué)問題的方式上具有潛在的變革性。這些人工智能的進(jìn)步也凸顯了負(fù)責(zé)任地開發(fā)人工智能的至關(guān)重要性，重點關(guān)注與人工智能技術(shù)（如可解釋性、驗證、安全和隱私）、實施（如透明度、安全工程、倫理）和應(yīng)用（如人工智能與人類的互動、教育和就業(yè)影響）相關(guān)的挑戰(zhàn)。

該報告確定了六種人工智能能力，并描述了改變能源部項目領(lǐng)域的潛力，涵蓋范圍從對電網(wǎng)等復(fù)雜系統(tǒng)的控制到基礎(chǔ)模型（例如ChatGPT等生成式AI程序背后的大型語言模型）。該報告列出了實現(xiàn)這些人工智能驅(qū)動的轉(zhuǎn)型所需的橫切技術(shù)，描述了科學(xué) XNUMX“重大挑戰(zhàn)”。報告指出，能源部在擴(kuò)大美國在科學(xué)、能源和安全領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位方面處于獨特地位，抓住人工智能變革科學(xué)的潛力，加速實現(xiàn)美國人工智能和大數(shù)據(jù)分析能力美好愿景。

自然語言處理（NLP）和圖像識別等領(lǐng)域已經(jīng)顯示出改變游戲規(guī)則的前景，復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計、工程、部署和操作也是如此——特別是那些位于能源部核心科學(xué)、能源和安全任務(wù)領(lǐng)域的核心領(lǐng)域。中國、日本、歐洲和其他國家在設(shè)計和部署超級計算機(jī)方面的進(jìn)展已經(jīng)導(dǎo)致了一個不可忽視的人工智能競爭地位。隨著人工智能能力開始改變科學(xué)、能源和安全的幾乎每個方面，在人工智能和基礎(chǔ)能力（包括高性能計算(HPC)）方面建立領(lǐng)導(dǎo)地位將與國家的未來及其在全球秩序中的作用密切相關(guān)。這場競賽可以說是這個國家過去60年來最深刻、最重要的一次。正如國家安全委員會關(guān)于人工智能的最終報告所指出的:

沒有令人舒服的歷史參考捕捉到人工智能(AI)對國家安全的影響。AI不是單一的技術(shù)突破，就像蝙蝠翼隱形轟炸機(jī)一樣。爭奪人工智能霸權(quán)的競賽不同于太空登月競賽。AI甚至比不上電這樣的通用技術(shù)。然而，托馬斯·愛迪生關(guān)于電的一句話概括了人工智能的未來:“它是一個領(lǐng)域中的領(lǐng)域……它擁有將重組世界生活的秘密?！?/p>

同樣地，盡管ECP、HPC和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施取得了可喜的成果，但全球力量威脅著美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。這些領(lǐng)域與人工智能的領(lǐng)導(dǎo)力密不可分，在人工智能領(lǐng)域，最具革命性的進(jìn)步是由計算和前所未有的數(shù)據(jù)量推動的。百萬兆級系統(tǒng)提供的極限規(guī)模代表了人工智能競爭力的全球賭注，但領(lǐng)導(dǎo)力將取決于開發(fā)可持續(xù)的百萬兆級和超百萬兆級(zettascale)計算環(huán)境，以及開發(fā)這些系統(tǒng)的能力所必需的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)和軟件系統(tǒng)。因此，這份報告列出了六個關(guān)鍵的基礎(chǔ)人工智能方法；闡明其轉(zhuǎn)變能源部科學(xué)、能源和安全任務(wù)領(lǐng)域的潛力；闡述了跨學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域的一個廣泛的體系結(jié)構(gòu)，必須對其進(jìn)行改進(jìn)才能實現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換；并根據(jù)能源部影響這些進(jìn)步的能力，評估能源部勞動力的狀況以及規(guī)模、計算能力和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。

全球領(lǐng)導(dǎo)力——通過在能源部全面積極地接受和推進(jìn)人工智能而獲得授權(quán)——也需要在至少三個方面采取大膽的舉措。第一是解決日益具有破壞性的勞動力挑戰(zhàn)，特別是能源部實驗室和學(xué)術(shù)界的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)人才轉(zhuǎn)向支持商業(yè)應(yīng)用，其中只有一部分激勵措施和目標(biāo)符合能源部的使命。第二，利用從設(shè)計和部署百兆億級系統(tǒng)中獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)，從半導(dǎo)體和HPC系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計到計算和存儲系統(tǒng)集成，再到系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，以及未來系統(tǒng)中與行業(yè)提供商建立更緊密的非傳統(tǒng)合作伙伴關(guān)系的需求。第三，通過投資于針對DOE任務(wù)挑戰(zhàn)的重點活動，充分利用新興潛力來利用深度學(xué)習(xí)的新興能力——本報告第一部分概述的人工智能方法就是例證，所有這些活動都是國家戰(zhàn)略。

報告指出，能源部在擴(kuò)大美國在科學(xué)、能源和安全領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位方面具有獨特的優(yōu)勢。DOE運營著世界上最強(qiáng)大的超級計算機(jī)，包括新的百萬兆級系統(tǒng)前沿、Aurora和El Capitan，擁有世界上最大的實驗設(shè)施集合，在其17個國家實驗室中雇用了超過5萬名員工。

DOE有六個國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)了人工智能研討會系列和結(jié)果報告：阿貢，勞倫斯?伯克利國家實驗室，勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室，洛斯?阿拉莫斯國家實驗室，橡樹嶺國家實驗室和桑迪亞國家實驗室。

這份報告為能源部提供了一個全面的愿景，以利用和擴(kuò)展人工智能的新能力，加快進(jìn)展，并深化跨越科學(xué)、能源和安全的任務(wù)領(lǐng)域的質(zhì)量。同樣重要的是，愿景和藍(lán)圖與偏見、透明度和可解釋性、數(shù)據(jù)安全、驗證和準(zhǔn)確性以及應(yīng)對人工智能對就業(yè)的影響等領(lǐng)域?qū)茖W(xué)基礎(chǔ)的迫切需求完全一致。人工智能領(lǐng)域取得的最大進(jìn)展大多來自美國和其他國家的工業(yè)和國防，這些國家的目標(biāo)和激勵措施與能源部的使命僅部分一致。這些進(jìn)步也反映了人工智能和計算機(jī)科學(xué)人才向工業(yè)的遷移，造成了勞動力中斷，DOE必須以緊迫感解決這一問題。盡管如此，DOE在百兆億級系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施、軟件、理論和應(yīng)用方面的投資——結(jié)合獨特的、多學(xué)科的協(xié)同設(shè)計方法，擴(kuò)展到數(shù)千名專家——使DOE綜合體處于獨特的地位，以擴(kuò)展其在科學(xué)、能源和安全領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。同時，這些DOE資產(chǎn)和能力非常適合解決當(dāng)今社會面臨的與人工智能相關(guān)的新挑戰(zhàn)——不僅創(chuàng)造機(jī)會，而且創(chuàng)造責(zé)任，領(lǐng)導(dǎo)國家，創(chuàng)造性地讓美國工業(yè)應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。需要針對新人工智能方法的開發(fā)和應(yīng)用開展有針對性的持續(xù)活動，同時將它們集成到(在某些情況下替換)支持DOE任務(wù)領(lǐng)域的工具和基礎(chǔ)設(shè)施中，并利用通過ECP和基礎(chǔ)DOE計劃創(chuàng)建的世界領(lǐng)先的人力、計算和數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施以及綜合基礎(chǔ)設(shè)施，包括ESnet、SciDAC等。