中國高性能計(jì)算教育中的挑戰(zhàn)

安虹

大數(shù)據(jù)時(shí)代，中國的高性能計(jì)算教育面臨著更大的挑戰(zhàn)。盡管我國在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制方面已經(jīng)占據(jù)世界領(lǐng)先位置，但從面臨的挑戰(zhàn)來看，我們在基礎(chǔ)教育方面還有很大的欠缺。

一、高性能計(jì)算技術(shù)只能走自主創(chuàng)新的發(fā)展道路

過去20年，我國高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展走過了一段超常規(guī)發(fā)展道路，超算技術(shù)得到迅猛發(fā)展。面對這一成績，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的副主任Horst Simon評論說：“中國已經(jīng)意識到了高性能計(jì)算在建模與模擬上的價(jià)值，而且增加了模擬運(yùn)算的數(shù)量，并打造了對美國來說有著強(qiáng)大競爭力的設(shè)施”。

中國在超算領(lǐng)域的優(yōu)秀表現(xiàn)，直接導(dǎo)致美國在2015年4月宣布，禁止英特爾公司向我國的四大超算中心出售“Xeon Phi”芯片，為此我們承受的直接后果是“天河二號”升級暫停。美國的算盤是希望以此控制中國高性能計(jì)算的發(fā)展，實(shí)際是限制中國的科研發(fā)展，這其中更包含很多其他方面的因素。

2016年6月19日，“神威·太湖之光”橫空出世，榮膺TOP500榜單的第一名，這套系統(tǒng)的最大亮點(diǎn)是采用了我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的申威眾核芯片。有專家稱：“中國超算不怕芯片限售，曙光、神威、天河等系統(tǒng)的研發(fā)正是在禁運(yùn)和封鎖中不斷壯大起來。實(shí)踐將會證明，外國對中國產(chǎn)品和技術(shù)的禁運(yùn)，反倒‘逼出中國發(fā)展超算核心技術(shù)的巨大決心和潛力”。我們用事實(shí)證明了中國在超算系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域的實(shí)力，也證明了高性能計(jì)算技術(shù)只能走自主創(chuàng)新的發(fā)展道路。

二、適應(yīng)未來交叉學(xué)科領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算創(chuàng)新人才的需要

進(jìn)入21世紀(jì)，工藝技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的變化推動了計(jì)算機(jī)學(xué)科迅猛發(fā)展，其內(nèi)涵和外延不斷拓展和豐富，與計(jì)算機(jī)相關(guān)的學(xué)科和研究領(lǐng)域也在不斷增加，各種計(jì)算機(jī)理論、技術(shù)和應(yīng)用層出不窮；計(jì)算機(jī)學(xué)科不斷與其他學(xué)科交叉，在完善自身發(fā)展理論和技術(shù)的同時(shí)，不斷拓寬計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，引發(fā)世界的深刻變革。

未來，計(jì)算機(jī)科學(xué)最重要的發(fā)展是它在各學(xué)科和工程中的應(yīng)用。例如，醫(yī)學(xué)的重大突破很可能是在生物學(xué)家、化學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家跨領(lǐng)域的合作研究下取得。因此，未來計(jì)算機(jī)學(xué)科、科學(xué)和工程學(xué)科的發(fā)展，需要在高性能計(jì)算領(lǐng)域培養(yǎng)大量與計(jì)算機(jī)交叉的創(chuàng)新人才。實(shí)踐證明，“創(chuàng)新型人才必須在創(chuàng)新實(shí)踐中培養(yǎng)”，將一流教學(xué)與一流科研相結(jié)合，是高性能計(jì)算這一交叉學(xué)科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的必由之路。

三、通過大賽提升高性能計(jì)算教育水平

國際大學(xué)生超算競賽（Student Cluster Competition，簡稱SCC），每兩年一次，與歐洲的國際超算大會（ International Supercomputing Conference，簡稱ISC）和美國國際超級計(jì)算機(jī)大會（The International Conference for High Performance

Computing， Networking， Storage and Analysis， 簡稱SC）同樣受到關(guān)注。SCC競賽全面考察參賽隊(duì)員在設(shè)備搭建、軟件優(yōu)化、LINPACK、HPCG和HPCC測試等方面的能力，最終經(jīng)過現(xiàn)場答辯，評選出獲獎隊(duì)伍。目前，SCC已經(jīng)成為一場挑戰(zhàn)大學(xué)生臨場智力發(fā)揮和心理承受極限水平的世界頂級賽事。

中國科技大學(xué)組建超算“鴻雁隊(duì)”，連續(xù)多年參加上述賽事，均取得優(yōu)異成績，特別是在SC16大會上舉辦的大學(xué)生超算競賽中包攬了總分和最高Linpack性能兩項(xiàng)冠軍。在歷時(shí)一年左右的參賽準(zhǔn)備以及競賽過程中，學(xué)生的知識儲備、心理承受力等素質(zhì)均獲得極大提高，不僅學(xué)到最新的高性能計(jì)算技術(shù)，而且在系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)和開發(fā)中也獲得極大的能力提升。大賽為大學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了強(qiáng)大的驅(qū)動力，對引導(dǎo)學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)造熱情，思考未來職業(yè)理想，培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)如跨領(lǐng)域多元化思維、自我表達(dá)、溝通合作等方面的能力起到了非常積極的作用。

通過參加比賽，指導(dǎo)老師對高性能計(jì)算有了更深刻的認(rèn)識，摸索出超算人才培養(yǎng)的新規(guī)律。老師們更加懂得如何引導(dǎo)學(xué)生興趣；更加理解將來即便不做系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也必須深入了解系統(tǒng)才能用好高性能計(jì)算機(jī)；體悟到高性能計(jì)算領(lǐng)域的教學(xué)新思路，可用于創(chuàng)新教育方法，可應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中去；同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新課題，對于開辟新的研究方向大有裨益。

四、大數(shù)據(jù)時(shí)代下高性能計(jì)算教育的新挑戰(zhàn)

大數(shù)據(jù)時(shí)代，中國的高性能計(jì)算教育面臨著更大的挑戰(zhàn)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)來自當(dāng)代多樣化的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。“現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，層次多、變化快，同時(shí)復(fù)雜的變化無法及時(shí)地反應(yīng)到大學(xué)課程中來，對教學(xué)提出新要求。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是編程環(huán)境紛繁復(fù)雜。目前的并行編程語言和環(huán)境有MPI、OpenMP、CUDA、JAVA、OpenCL、HMPP、OpenACC等幾十種。隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的發(fā)展，并行編程模型和環(huán)境工具越來越多，作為教師，需要從中做出甄別并講授給學(xué)生，但很多人感到難以快速跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。

第三個(gè)挑戰(zhàn)來自編程模型與硬件之間模糊的對應(yīng)關(guān)系，即沒有一個(gè)統(tǒng)一的編程模型。我國計(jì)算機(jī)本科教育中對學(xué)生并行編程能力的培養(yǎng)不夠，全國每年約10萬畢業(yè)生中能夠編寫并行程序者寥寥無幾。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變代，編寫并行程序應(yīng)該成為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)的必修課。

盡管我國在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制方面已經(jīng)占據(jù)世界領(lǐng)先位置，但從面臨的挑戰(zhàn)來看，我們在基礎(chǔ)教育方面還有很大的欠缺。

五、以賽促學(xué)，以賽促教

借鑒國際上通過SCC競賽促進(jìn)高性能計(jì)算創(chuàng)新實(shí)踐教育的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國高校高性能計(jì)算（簡稱HPC）師資嚴(yán)重缺乏，應(yīng)用水平低的基本國情，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會（簡稱CCF）高專委發(fā)起并設(shè)立了全國并行應(yīng)用挑戰(zhàn)賽（Parallel Application Challenge，簡稱PAC）。PAC大賽每年在中國的高性能計(jì)算學(xué)術(shù)年會HPC China上舉辦，受中國計(jì)算機(jī)學(xué)會高性能計(jì)算專業(yè)委員會指導(dǎo)，旨在通過提升“理論實(shí)踐相結(jié)合”的能力，尋找最佳應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)頂尖優(yōu)化人才，助推超算發(fā)展，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國夢！

PAC大賽首創(chuàng)于2013年，每年舉行一屆，選手來自全國300余所高校，參賽隊(duì)伍613支，2500余名師生參與。大賽題目涉及內(nèi)容非常廣泛，包括能源、氣象、計(jì)算流體力學(xué)、化學(xué)、粒子模擬、宇宙暗物質(zhì)、航空航天、圖像動畫、金融分析等，涵蓋領(lǐng)域涉及高性能計(jì)算及大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域。選手們通過參加PAC大賽，將課本知識與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了并行計(jì)算的思維和學(xué)習(xí)方法。

結(jié)合專家走進(jìn)高校授課的活動，競賽有效帶動了國內(nèi)高校并行計(jì)算課程的普及，有越來越多的教師加入并行與分布式計(jì)算的課程建設(shè)中，大家在教材、課程資源、實(shí)踐等環(huán)節(jié)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，期待形成更多優(yōu)秀的課程。

如今，PAC大賽已經(jīng)成為全國范圍內(nèi)（含大陸、香港、澳門、臺灣）規(guī)模最大的并行應(yīng)用挑戰(zhàn)賽，并逐漸向建立高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)、學(xué)校、研究機(jī)構(gòu)三方合作的生態(tài)系統(tǒng)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了以賽促學(xué)、以賽促教，促進(jìn)了并行計(jì)算教育在全國的普及。通過多年的教學(xué)和參加競賽，我們深刻體會到，在高性能計(jì)算創(chuàng)新實(shí)踐教育方面，當(dāng)前形勢下的高校與企業(yè)合作的模式非常有必要，學(xué)生只有通過實(shí)踐，才能真正搞明白什么是高性能計(jì)算。