软件包也能发《Nature》正刊

2020年9月16日，开源科学计算库NumPy核心团队的论文《Array programming with NumPy》发在了顶级期刊《Nature》的正刊上。

此次发表的论文《Array programming with NumPy》，详细介绍了使用NumPy 的数组编程（Array programming）。论文覆盖NumPy 的演变史、NumPy 数组、科学 Python 科研工具体系等内容。

■  什么是NumPy？

NumPy是使用Python进行科学计算的基础软件包，NumPy这个词来源于两个单词Numerical和Python。NumPy提供了大量的库函数和操作，可以帮助程序员轻松地进行数值计算。

NumPy数值计算广泛用于以下任务：

机器学习模型：NumPy的库，用于简单(在编写代码方面)和快速(在速度方面)计算。

图像处理和计算机图形学：计算机中的图像表示为多维数字数组。NumPy提供了一些优秀的库函数来快速处理图像。

数学任务：NumPy对于执行数值积分、微分等数学任务非常有用，形成了一种基于Python的MATLAB的快速替代。

NumPy在物理、化学、天文学、地球科学、生物学、心理学、材料科学、工程，金融和经济学等领域的研究分析流程中发挥着至关重要的作用。

例如在天文学中，NumPy是用于发现引力波和首次对黑洞成像的软件工具的重要组成部分。

计算机科学家凯蒂·布曼（Katie Bouman），是哈佛大学史密森天体物理学中心的博士后研究员。2016年，她开发了一种允许研究人员拍摄世界上第一个黑洞图像的计算机算法，用于筛选从世界各地的望远镜的数据以创建图像。

4PB数据量包含在重达几百公斤的计算机硬盘驱动器中，这些硬盘必须物理传输到马萨诸塞州韦斯特福德市的海斯塔克天文台，该观测站由麻省理工学院（MIT）提供技术支持。

历经2年多的数据分析，科学家终于揭开了黑洞真容。

■  黑洞

“黑洞”是指空间中的一个点，物质受到如此强烈的压缩，以至于它产生了引力场，甚至光线也无法从中逃逸。在2019年4月10日发布的照片中，巨大的黑洞位于一个名为M87的银河系中心，距离我们有5500万光年。

围绕NumPy，整个Python科研工具体系得以建立。在它的基础之上， 产生了技术导向、领域导向以及应用导向的大量优秀科研软件工具。

NumPy为主题的文章能在Nature上发表，体现了科学界对基础软件研发的尊重与认可，NumPy已经成为科研基础设施的重要组件，其意义与价值并不亚于任何一个实体科研装置。

回顾它25年的历史，有多个要素为其提供了源源不断的发展动力：

1. 开放与协作的生态

开放首先体现在NumPy是开源软件，一方面世界各地的用户都可以免费使用，没有使用门槛，另一方面任何一位开发人员都可以为项目作出贡献，很多开发人员是NumPy的直接使用者，有持续改进、提升软件的动力；NumPy不是个孤立的项目，它和Matplotlib、SciPy等软件包以及Python语言形成了互补的软件生态，实现了共同发展，单个项目的价值得以充分体现；另外NumPy从一开始就被用于哈勃望远镜等前沿科研项目，与应用场景紧密结合，助力科研的同时，项目也得以飞速发展

2. 面向未来的架构设计

在过去25年内，数据规模大幅度扩大，实现了几个数据级的增长，计算架构发生了变迁，高性能计算由CPU转向GPU，NumPy都经受住了考验

3. 持续的提升与维护

很多科研软件的有效发展周期不超过5年，随着支持项目结题、或者主要开发人员更换单位，软件的发展往往就中断了；而NumPy通过开发社群经年累月的提升，非但没有落后，反而获得了更强的生命力

在科学研究领域勇攀高峰，不能重硬轻软。做好科研也需要两只手，一个是更容易被看到和宣传的各类科学装置；另一个是类似NumPy这样的不容易被注意到的幕后功臣。加强科研软件的研发是达到世界领先水准的必由之路。

参考：

Charles R. Harris et al., Nature 2020,Array programming with NumPy

https://www.runoob.com/NumPy/NumPy-tutorial.html

https://www.jiqizhixin.com/articles/2020-09-17-13

https://www.NumPy.org.cn/

https://NumPy.org/

https://english.alarabiya.net/en/variety/2019/04/12/Scientist-superstar-Katie-Bouman-designed-algorithm-for-black-hole-image