Кіріспе

Компьютерлер мен математикалық модельдерді ғылыми проблемаларды талдау және шешу үшін пайдаланатын сала – есептеу ғылымы, сондай-ақ ғылыми есептеу, техникалық есептеу немесе ғылыми санақ (SC) деп аталады. Бұл күрделі физикалық проблемаларды түсіну және шешу үшін жоғары дамыған есептеу мүмкіндіктерін қолданатын ғылым саласы. Оған мыналар кіреді:
Алгоритмдер (сандық және сандық емес): ғылымдарды (мысалы, физикалық, биологиялық және әлеуметтік), инженерия және гуманитарлық салалардағы мәселелерді шешу үшін жасалған математикалық модельдер, есептеу модельдері және компьютерлік симуляциялар.
Компьютерлік жабдықтар: жоғары күрделі проблемаларды шешу үшін қажетті озық жүйелік аппараттық құралдарды, микрокодты, желілік және деректерді басқару компоненттерін әзірлеу және оңтайландыру.
Ғылым және инженерия мәселелерін шешуді, сондай-ақ компьютерлік және ақпараттық ғылымдарды дамытуды қолдайтын есептеу инфрақұрылымы.
Нақты қолданыста, бұл әдетте әртүрлі ғылыми салалардағы мәселелерді шешу үшін сандық талдау және теориялық компьютерлік ғылымнан алынған компьютерлік симуляциялар мен есептеудің басқа да түрлерін қолдану болып табылады. Бұл сала ғылым мен инженерияның дәстүрлі формалары болып табылатын теория мен зертханалық тәжірибелерден өзгеше. Ғылыми есептеу тәсілі – компьютерде іске асырылған математикалық модельдерді талдау арқылы түсінік алу. Ғалымдар мен инженерлер зерттелген жүйелерді модельдейтін компьютерлік бағдарламалар мен қолданбалық бағдарламалық жасақтаманы әзірлейді және осы бағдарламаларды әртүрлі кіріс параметрлері жиынтығымен іске қосады. Есептеу ғылымының мәні – сандық алгоритмдер мен есептеу математикасын қолдану болып табылады. Кейбір жағдайларда бұл модельдерге үлкен көлемде есептеулер (әдетте, қалқыма нүктелі) қажет болады және көбінесе суперкомпьютерлерде немесе үлестірілген есептеу платформаларында орындалады.

Болжамдық есептеу ғылымдары

Прогноздық есептеу ғылымы – физикалық құбылыстардың нақты аспектілерін болжауға бағытталған математикалық модельдерді құрастыру, калибрлеу, сандық түрде шешу және тексерумен айналысатын ғылыми сала. Көбінесе, болжамдық мәлімдемелер ықтималдықтар арқылы жасалады. Мысалы, механикалық компонент пен периодтық жүктеме жағдайында, "бұзылуға дейінгі циклдар саны (Nf) N1<Nf<N2 аралығында болады деген ықтималдық 90% құрайды".

Қалалық кешенді жүйелер

Қалалар – адамдар құрған, адамдардан тұратын және адамдар басқаратын өте күрделі жүйелер. Болашақта қалалардың дамуын болжау, түсіну және оны белгілі бір бағытта дамыту үшін күрделі ойлау қабілеті, есептеу модельдері мен симуляциялар қажет. Қалалық күрделі жүйелерді зерттеудің мақсаты – модельдеу және симуляция арқылы қала динамикасын тереңірек түсініп, болашақ урбанизацияға дайындалуға көмектесу.

Есептеулік қаржы

Қаржы нарықтарында өзара байланысты активтердің үлкен көлемдері әртүрлі орналасқан жерлерде және уақыт белдеулерінде өзара әрекеттесетін көптеген нарық қатысушыларымен саудаланады. Олардың мінез-құлқы бұрын-соңды болмаған күрделілікке ие, ал осы әртүрлі құралдарға тән тәуекелді сипаттау және өлшеу әдетте күрделі математикалық және есептеу модельдеріне негізделеді. Мұндай модельдерді жабық түрде, тіпті бір құрал деңгейінде дәл шешу мүмкін емес, сондықтан тиімді сандық алгоритмдерді іздеу қажет. Бұл мәселе соңғы кезде одан да өткір және күрделі болды, себебі несие дағдарысы жеке құралдардан бастап, жекелеген мекемелердің портфельдері арқылы, тіпті өзара байланысты сауда желісіне дейін таралатын тізбектей әсерлердің маңыздылығын анық көрсетті. Мұны түсіну үшін көп деңгейлі және жүйелі тәсіл қажет, онда нарықтық, несиелік және өтімділік тәуекелі сияқты өзара байланысты тәуекел факторлары бір мезгілде және өзара байланысты әртүрлі масштабтарда модельдендірілуі керек.

Есептеу биологиясы

Биотехнологияның жаңа және үміт беретін жетістіктері қазір биология мен биомедициналық зерттеулерде революция жасап жатыр. Осы техникалардың мысалдары: жоғары өнімділікпен секвенирлеу, жоғары өнімділікпен сандық ПТР, жасуша ішіндегі бейнелеу, гендік экспрессияның in situ гибридтеуі, жарық тіндік флуоресценттік микроскопиясы және оптикалық проекциялық (микро) компьютерлік томография сияқты үш өлшемді бейнелеу техникалары. Осы техникалармен алынған үлкен және күрделі деректердің мөлшерін ескере отырып, оларды мағыналы түрде түсіндіру және тіпті сақтау жаңа тәсілдерді қажет ететін маңызды міндеттерге айналады. Қазіргі биоинформатикалық тәсілдерден асып түсу үшін, есептеу биологиясы осы үлкен деректер жиынтықтарындағы мағыналы үлгілерді анықтау үшін жаңа әдістерді әзірлеуі керек. Гендік желілерді модельдеу арқылы қайта құру гендік экспрессия деректерін жүйелі түрде ұйымдастыруға және болашақ деректерді жинауға бағыт беруге мүмкіндік береді. Мұндағы басты мәселе – гендік реттеудің биоминерализация және эмбриогенез сияқты негізгі биологиялық процестерді қалай басқаратынын түсіну болып табылады. Гендік реттеу, минералдық шөгінді процесімен өзара әрекеттесетін органикалық молекулалар, жасушалық процестер, физиология және тіндер мен қоршаған орта деңгейіндегі басқа да процестер сияқты ішкі процестер өзара байланысты. Биоминерализация мен эмбриогенез орталық басқару механизмімен бағытталғаннан гөрі, нанометр мен наносекундтардан метр мен жылдарға дейінгі әртүрлі уақыт және кеңістік масштабтарындағы бірнеше ішкі процестердің байланысқан көп масштабты жүйесінен туындайтын пайда болатын мінез-құлық ретінде қарастырылуы мүмкін. Мұндай жүйелерді түсінудің шамалы мүмкіндіктерінің бірі – жүйенің көп масштабты моделін жасау.

Күрделі жүйелер теориясы

Ақпарат теориясы, тепе-теңдіксіз динамика және нақты симуляцияларды қолдана отырып, есептеу жүйелері теориясы күрделі бейімделуші жүйелердің нағыз мәнін анықтауға ұмтылады.

Есептеу ғылымдары мен техникасы

Есептеу ғылымы және инженериясы (CSE) – инженерлік талдау мен жобалауда (есептеу инженериясы) және табиғи құбылыстарда туындайтын күрделі физикалық мәселелерді шешу үшін жоғары өнімді есептеулермен біріктірілген есептеу модельдері мен симуляцияларын жасау және қолданумен айналысатын салыстырмалы түрде жаңа ғылым саласы. CSE ғалымдар, инженерлер және академиктер арасында теория мен тәжірибеден кейінгі "ашылудың үшінші режимі" ретінде қабылдалды. Көптеген салаларда компьютерлік симуляция интегралды және осылайша бизнес пен ғылыми зерттеу үшін маңызды болып табылады. Компьютерлік симуляция дәстүрлі тәжірибелерге қол жеткізуге болмайтын немесе дәстүрлі эмпирикалық зерттеулерді жүргізудің тым қымбатқа түсетін салаларына енуге мүмкіндік береді. CSE таза компьютер ғылымымен де, компьютер инженериясымен де шатастырылмауы керек, бірақ CSE-де бұрынғысының кең саласы қолданылады (мысалы, белгілі бір алгоритмдер, дерек құрылымдары, параллель бағдарламалау, жоғары өнімді есептеу), ал соңғысының кейбір мәселелерін CSE әдістерімен модельдеуге және шешуге болады (қолданылу аймағы ретінде).

Конференциялар мен журналдар

2001 жылы алғаш рет Халықаралық есептеу ғылымдары конференциясы (ICCS) ұйымдастырылды. Содан бері ол жыл сайын өткізіліп келеді. ICCS – CORE рейтингінде А санатты конференция. "The Journal of Computational Science" журналының алғашқы саны 2010 жылдың мамыр айында жарық көрді. "The Journal of Open Research Software" журналы 2012 жылы іске қосылды. Есептеу нәтижелерін қайталауға бағытталған ReScience C инициативасы 2015 жылы GitHub платформасында қолға алынды.