在科学计算领域，Julia会代替Fortran和Matlab吗？

简单来说，短期内不会，长期来说在编写新的程序上Julia代替Python，MATLAB以及Fortran是趋势。

下面我来仔细聊下这个日经问题

从实际问题出发

Julia解决了一个在科学计算（scientific computing）里很蛋疼的问题：如何让一个具有很强的一般性的程序（generic program）依然非常快。科学计算，所谓科学，是因为这类任务常常是为了 科学研究 进行的。而所谓研究一定会涉及到新的方法（否则还研究什么？），这意味着我们需要 非常灵活的代码来适应快速变化的需求 ，同时保证性能。

但是这不意味着高性能计算可以免费获得，Julia只是给你了可能性，一些高性能计算的知识依然是必要的。

不谦虚的展示下最近做的benchmark

以上这是我们为做量子计算开发的纯Julia框架Yao和其它公司，个人的作品在性能上的比较。其中ProjectQ是首个实现量子霸权（quantum supremacy）模拟的软件，而qulacs是今年新出的由纯C++编写，手动调优的模拟器。可以看到完整的线路模拟（一个实际论文里常常会用到的尺寸，4-25比特）里我们有更好的性能。但是，我们在开发这个软件的时候，优先关注的是如何解决实际科研里的需求，性能一直是次要的。我们用 同一份核心代码 实现了针对线路的自动微分，符号计算，线路变换等等功能，最后才会去关注性能（详情可以参考我们最近的论文：https://arxiv.org/pdf/1912.10877.pdf）。这是一个实际的科学计算场景会出现的需求： 性能重要吗？重要，性能不好可能跑不出结果。但是我们没时间去针对性地优化，因为今天优化完也许明天有了新方法，又不用这个代码了。这是和工业界相比的一个很大的区别，不存在针对某个具体的方法优化到极限这种情况。如果有那么不是因为要开始创业了，就是因为太闲了练练手。

Julia的很多主要package都有类似的benchmark。

而另外一个需求，我相信非常多的人遇到过：你和合作者想基于之前的一些工作做一个新东西。你的合作者写了一份代码，但是是TensorFlow写的，你的代码是PyTorch写的。于是你得把TensorFlow翻译成PyTorch：Python作为一个胶水语言，虽然它有很强的生态，但是不同的package之间兼容性是很差的，这是因为 为了能够在一个足够灵活的框架上实现高性能，在实现这些框架的时候往往在中间自带了一个完整的DSL编译器。

而在Julia里，很多package是可以恰好一起工作的。例如把Measurement塞进DifferentialEquations，就得到了带误差分析的微分方程求解器。把SymEngine塞到Yao里去就得到了量子线路的符号计算支持等等。

再者是 已经形成的可微分编程（Differentiable Programming）的生态 ，可能很多人听说过Zygote，这个可微分编程的编译器（扩展）。但是实际上它是一个非常简单的东西，其实现原理我在之前的文章里已经介绍过了。但是它作为一个“胶水”把整个Julia生态里的包都结合在一起了，这包括传统的机器学习，深度学习，Ray Tracer，也包括新兴的量子计算，微分方程等等。这是在Python，MATLAB和Fortran里都找不到的功能。

从技术角度来讲

实现同样的东西在Fortran或者MATLAB里可能会异常困难。

对特殊数组，矩阵的支持。由于缺乏统一的interface标准，配套的类型系统和编译基础设施，目前在Python，Fortran还是MATLAB里还不存在能够和Julia相媲美的矩阵/数组生态。而实际上，也只有Julia社区在语言设计的过程里认真考虑了这些问题。因为不同于其它语言的是在Julia社区科学计算是主流。

对异构计算，源码变换的支持。Julia是一个支持多级编程（staged programming）的语言，这意味着你可以通过宏来修改parsing过程，通过generated函数修改type inference以及SSA IR。所谓的自动微分，高级（指高级语言）CUDA编程都是通过这类机制实现的。而同样的功能在Python，Fortran或者MATLAB里可能就意味着要自己写一个新的编译器。其工程难度的差距是非常大的。虽然Python社区的Numba已经在这个方向上做出了非常突出的工作，但是受到语言本身的限制，依然无法完整的编译Python。

有人可能会说，是啊，但是这让Julia的语法和Python相比变得更复杂了。但是这些功能实际上甚至大部分开发者都不会用， 你可以选择不学，不用 。但是当真的需要的时候，懂了基本原理，上手也并不是很难。而相比之下，使用Python的ast模块自己重写部分解释器+编译器就显得麻烦多了。

主观来讲

作为一个从事科学计算的人 来讲（我自己平时会做凝聚态物理，量子计算相关的数值程序），越来越多的同行在看到我们使用Julia的效果以后开始使用Julia。这其中就包括 @LiTuX 所谓的 把祖传代码改成Julia 。而实际上效果并不是不好，而是非常好。例如我现在的老板最近在用Julia重写著名的量子蒙卡算法：随机序列展开（SSE）。它的实现原先是作者本人Sandvick写的Fortran（我最近听说他本人也开始写Julia了倒是），在这个年代，相比Fortran的问题大家多有讨论，可读性相对不好，不容易分享，作为静态编译语言不够灵活等问题。那为什么之前不用Python改写呢？因为在蒙卡算法里，for循环的性能是至关重要的，量子多体问题的计算量还没有到小到可以忽略这个overhead的程度。如果没有for循环，代码写起来会非常痛苦。

当然，也许你会说那为什么不用C++写然后再用Python作为脚本？不幸的是，这恰好是不适合这个解决方案的问题之一：因为根据具体问题需要不断调整更新策略，for循环这部分代码可能是经常需要改动的，用Python还不如写Fortran。

甚至包括在高性能计算里常常被提到的矩阵乘法（gemm），用Julia重写也能在保证一般性的前提下（不限制具体的元素类型）达到和手动调优接近的性能：https://github.com/JuliaBLAS/JuliaBLAS.jl

而今年Alan Edelman获Sidney Fernbach Award，我想也是对Julia在这个方向发展的一种认可。

日经的历史依赖问题

首先MATLAB作为一个商业软件，会逐渐被开源软件在新功能上被替代，这无所谓是Python还是Julia和收费没什么关系。因为商业公司没法和开源社区的更新速度相比，license的问题也阻止了很多项目去用它。但是老的功能依然会被大规模使用。所以不存在兼容MATLAB的问题，Julia社区里也一直是以替代MATLAB为目标。

然后Fortran本身实际上有很多经典的代码，而由GNU的努力，Fortran95编译出来是可以兼容C ABI的，这也就意味着使用旧的Fortran代码只是解决下编译依赖的问题。但是Fortran free是趋势，连MKL现在都没libfortran依赖了。而对新的代码，使用Fortran之后的版本（例如2008），其社区要比Julia还小，功能有限，生态上也已经无法和Julia相比了。

至于Python，相比之下Julia的工具链确实还有待完善，教学资料和问题回答数量（比如stackoverflow）也相对较少。这无疑增加了入门的难度，但是有目共睹的是，因为不是什么技术上的难题这个方面随着1.0的发布在快速的改善。此外由于Julia可以调用所有的Python代码，不存在不兼容历史代码的问题。

而科学计算的生态上，Julia已经不输Python了。在科学计算常用的工具里，比如线性代数，相关的package质量和功能都要比Python里的多。这里简单整理了下矩阵相关的：

标准库

• LinearAlgebra：定义了几个常用的矩阵类型 Hermitian，Symmetric，Diagonal

特殊数组

• StaticArrays 栈上的静态数组：通过编译器提供高性能的小矩阵计算
• FillArrays 一些特殊的稀疏矩阵，例如零矩阵，全是某个数的矩阵等等
• InfiniteArrays 无穷维矩阵/数组
• BlockArrays 分块数组
• LazyArrays 懒惰求值的Array
• AxisArrays 每个维度可以带标签的数组（也就是PyTorch所谓的NamedTensor）

特殊矩阵（2维数组）

• ToeplitzMatrices
• BandedMatrices
• SpecialMatrices：这个包里实现了一些特殊矩阵包括 Cauchy，Circulant，Campanian，Frobenius等十一种特殊矩阵（太多了就不一一列举了）
• CovarianceMatrices
• LuxurySparse（这是我们自己开发的）：PermMatrix（广义交换矩阵），各种静态数组和上面的特殊矩阵组合的一些特化的实现

针对分布式和多进程的数组

• 标准库里的：SharedArray，可以在进程中共享内存
• DistributedArray，分布式的（稠密）数组，支持一些基本操作例如分布式乘法

虽然这些package由不同作者独立开发，但是这些不同的矩阵类型都不需要用户专门记忆使用方式，它们互相兼容，共享interface，唯一需要知道的是相关的背景知识而已。其它工具例如自动微分，线性代数求解器，微分方程求解器等等也是类似的。这些都已经有了比Python生态里更快的速度，更多的功能。所以 在Julia能够更好地解决科学计算中的实际问题情况下，所谓的用户体验还需要时间积累，但是取代只是时间问题。因为没人会关心syntax和信仰。

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：罗秀哲

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