楊超：讓中國登上“超算之巔”

許茜

在美國鹽湖城舉行的2016全球超級計(jì)算大會上，由中科院軟件所楊超率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，憑借“千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”研究成果獲得“戈登·貝爾”獎，實(shí)現(xiàn)了我國在此獎項(xiàng)上零的突破……

“Ten Million……”

評委剛念出“Ten”，楊超“噌”就站了起來。從座位到領(lǐng)獎臺，他不知道自己是怎么“移動”過去的，也聽不清那些“Congratulation”（祝賀）從哪里來。當(dāng)?shù)貢r間11月17日，美國鹽湖城，有高性能計(jì)算“諾獎”之稱的“戈登·貝爾”獎迎來了首個中國面孔。

閃光燈晃個不停，37歲的楊超手捧證書，整個人有點(diǎn)懵，心里嘀咕：真的獲獎了……

“團(tuán)長”變“旅長”

獲獎項(xiàng)目“千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”如投入使用，理論上可大幅提升天氣預(yù)報的計(jì)算精度和運(yùn)算速度。

在楊超眼中，“隱式”是得獎的“功臣”。“隱式”是隱式求解器的簡稱，而“求解器”就像高性能計(jì)算的“發(fā)動機(jī)”，讓程序“高速運(yùn)轉(zhuǎn)”。楊超是研制“發(fā)動機(jī)”的工程師，也是這次獲獎團(tuán)隊(duì)的“頭頭”。

由于公認(rèn)的技術(shù)難關(guān)，學(xué)界一度并不看好隱式在新型超級計(jì)算機(jī)下的發(fā)展，“用它的人很少”；相比之下，顯式則更受同行青睞。但早在讀博時，楊超便看準(zhǔn)了隱式的潛力，“它更具優(yōu)勢”。

作為軟件的求解器，其本身無法展示效果，要結(jié)合具體領(lǐng)域的應(yīng)用。恰如“發(fā)動機(jī)”只有安裝在“汽車”上才能一顯身手，而楊超偏選了輛難開的“車”—大氣動力學(xué)，把求解器運(yùn)用在大氣動力學(xué)方程計(jì)算中。大氣是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的“硬骨頭”，可楊超覺得“要做就做有挑戰(zhàn)的。”

博士畢業(yè)后，楊超開始了在大氣應(yīng)用領(lǐng)域的求解器研究。可要想軟件唱戲，還得有硬件搭臺。今年的獲獎項(xiàng)目是搭載在千萬核的硬件環(huán)境中，可十年前國內(nèi)的硬件水平還很有限（“核”就是CPU的計(jì)算核心）。

“‘核就相當(dāng)于一個兵，帶領(lǐng)一千萬人的超級計(jì)算部隊(duì)，那是什么感覺？就像一個將軍在帶兵打仗。”而彼時的楊超只是個“團(tuán)長”，測試環(huán)境僅有幾千核。

“天河一號”的問世，讓“團(tuán)長”變“旅長”，楊超做到了整機(jī)8萬核CPU模擬。

“天河一號”發(fā)布前3天，經(jīng)導(dǎo)師孫家昶介紹，楊超帶著研究了3年的應(yīng)用軟件去往天津。程序在“天河一號”運(yùn)行的那一刻，8萬核的驚人速度，楊超感嘆“達(dá)到了頂峰”。

首次沖獎 只為理想而戰(zhàn)

很快，這次測試引起了業(yè)內(nèi)的關(guān)注，紛紛請楊超去作報告，其中就有清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系副教授薛巍。楊超受邀去清華園，當(dāng)他展示出8萬核的計(jì)算結(jié)果時，有人說了句“這個應(yīng)該沖擊戈登·貝爾”！

“戈登·貝爾”獎是楊超心中的夢，很美，卻“遙不可及”。所以，當(dāng)時楊超“只當(dāng)是同行開了個玩笑”。

幾個月后，薛巍借鑒楊超8萬核CPU模擬中的關(guān)鍵方法，將其用在氣象應(yīng)用“GRAPES”上，效果很理想。看到應(yīng)用如此順暢，楊超心動了。“一輩子可以搏的事情不多，但戈登·貝爾算是一個。哪怕失敗了，曾經(jīng)為此努力過就夠了。”

“天河一號”是由7168顆CPU和7168塊GPU（圖像處理器）組成，而首次嘗試時楊超只用滿了CPU，GPU完全沒有用上。怎么能把GPU用起來？這成了“沖獎”的一道坎。

為了解決這一難題，薛巍引薦了一位GPU專家—當(dāng)時清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心副教授付昊桓。2011年底“沖獎突擊隊(duì)”正式成立，此時距離交稿只有不到半年的時間。“一般沖獎最少也要三年，這幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。”

進(jìn)入“備戰(zhàn)”狀態(tài)的楊超，設(shè)立好階段性“小目標(biāo)”，每隔幾天他就向團(tuán)隊(duì)成員匯報一次，“沒完成任務(wù)都不好意思見面”。那時，從中科院到清華園的成府路上，總會看到一位行色匆匆的學(xué)者，他沒有假期，只有全力以赴和夜以繼日。

趕在截止日期前，熬了幾個通宵的“突擊隊(duì)”，提交了論文。饑腸轆轆的三人來到一家拉面館，累得已經(jīng)吃不動了；盯著面發(fā)呆，記不得是誰說了句“再也不干了”！

找到“最后一枚碎片”

幾個月后，入圍名單公布，其中并沒有“突擊隊(duì)”，中國超算顆粒無收。

之后的幾年，團(tuán)隊(duì)密切跟蹤國內(nèi)頂級高性能計(jì)算機(jī)的研發(fā)趨勢，先后在“天河一號”“天河二號”“神威·太湖之光”上進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和測試。“只要有機(jī)器可用，就想方設(shè)法第一時間進(jìn)行操練。就像蜜蜂聞到了蜂蜜，一下子就撲上去。”

另一方面，楊超不斷調(diào)試隱式求解器，卻一直找不到“發(fā)動機(jī)”的一個零件，無法超越顯式。當(dāng)時，隨著各類新型超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展，顯式求解器在學(xué)界出盡風(fēng)頭，隱式則鮮有問津。難道真是無解嗎？

直到2015年11月，受國外一篇論文的啟發(fā)，楊超找到了那個關(guān)鍵“零件”，他隨即通知其他成員：“我們拼圖的最后一枚碎片找到了！”“零件”的發(fā)現(xiàn)拉開了二沖“戈登·貝爾”獎的序幕。

然而，找到“零件”只是開始。怎么裝進(jìn)去？是否適用？能否順暢運(yùn)行？……一連串的問題都等著楊超去解答，“每一步都異常艱辛”。

那段時間，楊超常常工作到深夜，飯館、食堂都關(guān)了，餓了就去中科院旁的快餐廳。“我知道，北京晚上三點(diǎn)的肯德基、麥當(dāng)勞是什么樣。”

直到交稿前一周，他終于完成了“零件”調(diào)試和優(yōu)化工作。時隔4年的2016年4月，楊超再次提交了參賽論文。

與上一次沖獎相比，這次“沖獎小組”更有底氣，也得到多方的支持，但楊超依舊忐忑。“戈登·貝爾獎設(shè)立近30年，中國團(tuán)隊(duì)連入圍都沒有過，評委來自美國、日本，他們會認(rèn)可中國人嗎？”楊超心里沒底。

而更令他擔(dān)心的是，高性能計(jì)算技術(shù)迭代很快，倘若本次沖獎失利，目前的方法或迅速就被其他團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)或趕超。到那時，多年的心血將付之東流。

“打光了槍里的每一發(fā)子彈”

6月的一天，楊超的手機(jī)被打爆了。“有兩組中國團(tuán)隊(duì)入圍了，咱們呢？”他連忙查郵件，笑容洋溢在他的臉上。

來不及慶祝，一項(xiàng)更艱巨的任務(wù)—優(yōu)化求解器在等著他們。入圍郵件寫明，要在8月10日前提交終稿。4月份上交的隱式求解器性能已超過顯式不少，但是卻未能充分體現(xiàn)隱式的優(yōu)越性。于是，楊超領(lǐng)隊(duì)再次揮師南下，在國家超算無錫中心，把程序里里外外修改、調(diào)試了一遍，“幾乎重寫了一篇論文”。最終，他們把隱式求解器的性能提升了4倍，達(dá)到同等顯式的89.5倍。

“這么短的時間，論文能有如此改進(jìn)，超出想象！”評獎委員會副主席松崗聰教授如是評價。

七八月的無錫，酷暑難耐。38℃的機(jī)房，空調(diào)只供應(yīng)到下午4點(diǎn)。到了晚上，所有人只能靠電扇和清涼油解暑。沖刺階段，幾天沒合眼的楊超，感覺地都是軟的，整個人“飄飄欲仙”。

萬事俱備，只差最后一槍。美國時間11月17日上午，在2016全球超級計(jì)算大會上，楊超走上臺，鞠躬，點(diǎn)開第一頁P(yáng)PT，開始了“豪情萬丈”的成果演示。

學(xué)術(shù)匯報的風(fēng)格大多低調(diào)、沉穩(wěn)，但這次楊超一反常態(tài)，把極致灌注在PPT的字里行間。他不想留遺憾，“要讓世界看到中國超算的風(fēng)采”。結(jié)束演講，他說“我打光槍里的每一發(fā)子彈”。

下臺后，評獎委員會主席蘇博哈什·塞尼博士握住楊超的手說：“Well done！”（做得很棒）

“這只是開始。”楊超指著獎狀說。他說的是中國超算，更是自己—一顆顆子彈又開始上膛待發(fā)。

（本文轉(zhuǎn)自《科技日報》）