Nhảy đến nội dung

Khoa học tính toán

Intro-Computational-Science_0_1_0_0.jpg

Khoa học tính toán là một lĩnh vực đa ngành nhằm ứng dụng những giải thuật toán học thực tiễn với khoa học máy tính để nghiên cứu các vấn đề của các ngành khoa học và kỹ thuật khác. Nhà khoa học tính toán sẽ kết hợp những kiến thức chuyên môn của một hoặc nhiều lĩnh vực để mô hình hóa (modeling), tính toán mô phỏng (simulation) các sự vật, hiện tượng thực tế trên máy tính và phân tích dữ liệu (data analysis) từ các nguồn dữ liệu lớn. 

Khoa học tính toán được xem như trụ cột thứ ba (cùng với khoa học lý thuyết và khoa học thực nghiệm) trong lĩnh vực khám phá tri thức và góp phần quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học và kỹ thuật. Ngày nay, trong mọi lĩnh vực của đời sống, đều có sự góp phần quan trọng không thể thiếu của ngành khoa học tính toán. 

Khoa học tính toán sẽ tạo ra các "phòng thí nghiệm ảo trên máy tính" để mô hình và mô phỏng hầu hết các hiện tượng và sự vật trong đời sống. Điều này sẽ giúp tiết kiệm rất lớn về tiền bạc và thời gian phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Mô hình và mô phỏng trên máy tính trong khoa học tính toán đang được sử dụng trong hầu hết tất cả các ngành khoa học và kỹ thuật như: khí tượng học, hàng không, cơ khí, vật liệu, thiên văn, vật lý hạt, môi trường học, y sinh học, v.v. 

Khoa học tính toán có thể được chia ra thành nhiều chuyên ngành nhỏ như cơ học tính toán, vật lý tính toán, toán học tính toán, hóa học tính toán, sinh học tính toán, y sinh học tính toán, vật liệu tính toán, thống kê tính toán, v.v. Tất cả những chuyên ngành nhỏ này đều sử dụng chung những kỹ thuật tính toán hiện đại giống nhau, vì vậy Khoa học tính toán còn được hiểu rộng hơn là Khoa học và kỹ thuật tính toán.

Vai trò của Khoa học tính toán trong Cuộc cách mạng 4.0

Khoa học tính toán và Khoa học dữ liệu là những công nghệ chủ chốt của hiện tại và tương lai, của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.0. Các phương pháp tính toán và phân tích toán học được sử dụng để mô phỏng, dự đoán, đánh giá dữ liệu, phân tích, đánh giá rủi ro, phát triển và tối ưu hóa có thể được tìm thấy hầu như ở khắp mọi nơi.

Mô hình hóa, toán học, thống kê, dữ liệu và thuật toán là nền tảng của thế giới số của chúng ta. Giúp kết nối và xoá nhòa ranh giới giữa thế giới thực và thế giới ảo (thế giới số). Việc kết hợp kiến thức toán học và thống kê với công nghệ thông tin, khoa học tính toán và khoa học dữ liệu sẽ cung cấp những giải pháp mới đột phá cho nghiên cứu, kinh tế và cho xã hội của chúng ta. Bằng cách khai thác hiệu quả khả năng của toán học tính toán hiện đại và siêu máy tính, chúng ta có thể giải quyết được các vấn đề ngày càng phức tạp trong kinh tế, tài chính, dược phẩm, y học, R&D, khoa học tự nhiên, môi trường và xã hội, y học sinh học hoặc khoa học kỹ thuật.

Vai trò của Khoa học tính toán đối với các ngành khoa học khác

Dù là một ngành học riêng, nhưng Khoa học tính toán đóng vai trò trung tâm và thiết yếu đến sự phát triển của các ngành khoa học và kỹ thuật khác. Điều này được thể hiện mạnh mẽ trong Bản báo cáo gửi đến Tổng thống Mỹ năm 2005 của Ban Cố vấn về Công nghệ thông tin với tiêu đề “Computational Science: Ensuring America’s Competitiveness" ("Khoa học tính toán: củng cố năng lực cạnh tranh của nước Mỹ”). Bài báo cáo có đoạn viết: “Khoa học tính toán hiện nay là một giải pháp không thể thiếu để giải quyết các vấn đề phức tạp trên mọi lĩnh vực. Những thành tựu nghiên cứu hứa hẹn nhiều tiềm năng kinh tế và có giá trị khoa học quan trọng sẽ đến từ những ai có khả năng sử dụng thành thục các công nghệ tính toán cao cấp, cũng như các ứng dụng của Khoa học tính toán”.

Một số ứng dụng của Khoa học tính toán đối với các ngành Khoa học khác có thể được liệt kê như:

  • Những nhà khí tượng học sử dụng các mô phỏng trên máy tính để dự đoán thời tiết, những thay đổi lâu dài của khí hậu và nghiên cứu những hiện tượng như bão xoáy và vòi rồng. Công việc này đòi hỏi khả năng giải quyết dữ liệu lên tới hằng trăm terabyte, cùng với nhiều hệ thống vi xử lý song song để có thể mô phỏng chính xác hiện tượng xảy ra trên một diện tích vài ha;
  • Kĩ sư hàng không sử dụng máy tính để giả lập dòng không khí xung quanh máy bay, từ đó xác định các thuộc tính và cấu trúc máy bay trong nhiều điều kiện khắc nghiệt nhất: giúp tiết kiệm kho bãi, nguyên vật liệu và có thể lập lại thí nghiệm;
  • Kĩ sư cơ học giả lập những va chạm của ô tô để thiết kế những tính năng an toàn: giúp tiết kiệm kho bãi, nguyên vật liệu và có thể lập lại thí nghiệm trên máy tính;
  • Trong y sinh học, chức năng hoạt động của các bộ phận trong cơ thể người cũng được mô phỏng hoàn hảo đến cấp độ tế bào, làm cơ sở cho những thí nghiệm về quá trình nhiễm và phát bệnh, cũng như phản ứng của cơ thể với vacxin hay các phương thuốc mới;
  • Dịch tễ học đã phát triển các phòng thí nghiệm dựa trên mô hình tính toán để mô phỏng sự lây lan của bệnh truyền nhiễm thông qua dân số. Những chương trình này có thể cung cấp kịch bản để giúp các nhà hoạch định hình dung kết quả của các chiến lược như tiêm phòng và kiểm dịch khi đối mặt với một đại dịch. Sự xuất hiện của bệnh Lyme, HIV/AIDS, SARS, và bệnh cúm gia cầm mới nhất đã nâng tầm vóc và khả năng hiển thị của mô hình dịch tễ học như một công cụ quan trọng trong y tế công cộng;
  • Trong hoạt động sản xuất và vận hành của các doanh nghiệp, những phần mềm chuyên biệt chạy trên hệ thống các máy tính nối mạng được dùng để quản lý những dòng thông tin phức tạp từ vật tư, tài chính, hậu cận v.v, rồi tổng hợp lại tạo nên chuỗi cung ứng được quản lý trên máy tính. Hệ thống thông tin này góp phần tăng hiệu suất và giảm chi phí hoạt động, đem lại nhiều lợi thế cạnh tranh cho doanh nghiệp;
  • Các mô hình kinh tế trên máy tính trở thành các công cụ thiết yếu để đưa ra những phân tích vi mô lẫn vĩ mô một cách nhanh chóng, cho phép sớm đưa ra các dự báo về tình hình thị trường.
  • Các mô hình mô phỏng và kịch bản giao thông khác nhau trên máy tính trở thành các công cụ thiết yếu để đưa ra những kịch bản điều tiết giao thông, nhằm làm giảm tối thiểu vấn nạn kẹt xe ở các thành phố lớn.