為科學(xué)計(jì)算插上并行的翅膀
——記中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院副研究員崔濤

□ 孫欣欣

在這個(gè)電子信息橫飛的年代，人們已經(jīng)不能單純地以億作為計(jì)量單位來衡量生活中噴薄而出的數(shù)據(jù)量；在這個(gè)電場(chǎng)與磁場(chǎng)交織的空間，電磁場(chǎng)的應(yīng)用可謂是上天入地?zé)o所不在。而不論是在高性能計(jì)算、電磁場(chǎng)計(jì)算還是大數(shù)據(jù)分析與建模領(lǐng)域，崔濤都擁有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。

從業(yè)十幾年來，他主持和參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、原“973”“863”計(jì)劃及國家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目，圍繞集成電路電磁仿真、地球物理冰川和地震模擬、衍射光柵等重大應(yīng)用問題，在大規(guī)模并行自適應(yīng)算法設(shè)計(jì)及其數(shù)學(xué)理論分析、適應(yīng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的并行自適應(yīng)軟件的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件開發(fā)研究中獲得了一系列原創(chuàng)性的研究成果。在Numer.Math.、SIAM J.Sci.Computing、JCP等雜志發(fā)表論文20余篇。

打開并行計(jì)算的大門

并行計(jì)算，其傳統(tǒng)定義為同時(shí)使用多種計(jì)算資源解決計(jì)算問題的過程，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算速度和處理能力的一種有效手段。崔濤表示，并行只是將不可計(jì)算問題變?yōu)榭捎?jì)算問題的一種手段，是以盡可能短的時(shí)間獲得更加精細(xì)的數(shù)值仿真結(jié)果的一種手段。并行計(jì)算的關(guān)鍵是并行算法。相對(duì)串行算法而言，并行算法設(shè)計(jì)需要適配計(jì)算機(jī)硬件特點(diǎn)，又要兼顧具體應(yīng)用問題特征。

崔濤

始終將滿足時(shí)代發(fā)展需求置于首位，為實(shí)現(xiàn)我國科學(xué)與工程數(shù)值模擬和大數(shù)據(jù)分析等高性能計(jì)算應(yīng)用由億億次向百億億次（E級(jí)）的跨越，崔濤所在的研究團(tuán)隊(duì)以構(gòu)建E級(jí)高效能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)體系和研制超級(jí)并行應(yīng)用軟件方法為己任，較早地投入到構(gòu)建和發(fā)展并行軟件框架的研究當(dāng)中。在原“863”“973”和重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高性能計(jì)算專項(xiàng)以及國家自然科學(xué)基金等的大力支持下，軟件框架研制及其推廣應(yīng)用的研究工作卓有成效，成功發(fā)展出我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、唯一一個(gè)并行H-P自適應(yīng)有限元軟件框架Parallel Hierarchical Grid（簡(jiǎn)稱“PHG框架”）。

據(jù)崔濤介紹，該平臺(tái)屏蔽了并行計(jì)算機(jī)復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)和高效能實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，支持用戶按串行方式編寫應(yīng)用相關(guān)代碼，可快速實(shí)現(xiàn)超級(jí)并行有限元應(yīng)用軟件的研制，極大幅度地縮短了超大規(guī)模并行有限元軟件研發(fā)周期。目前，PHG框架已完成了在神威、天河等國產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)上的移植過程，支持?jǐn)?shù)百萬處理器核、百億自由度的數(shù)值模擬。

與此同時(shí)，在PHG平臺(tái)基礎(chǔ)之上，一系列的“周邊建設(shè)”發(fā)展得有聲有色，可以支持變壓器模擬、生物分子計(jì)算、區(qū)域尺度地震波模擬、集成電路互連線建模與分析、第一性原理數(shù)值計(jì)算等多個(gè)應(yīng)用研究。以針對(duì)電感和電容參數(shù)提取、互連線寄生電感參數(shù)等問題的集成電路互連線寄生參數(shù)提取工具包為例，它由崔濤研究團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)，能根據(jù)復(fù)雜電路版圖自動(dòng)生成四面體非結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格，具有很廣的適用面和高效率的復(fù)雜電路分析能力，視計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模，可靈活選擇將參數(shù)提取工具軟件部署在普通計(jì)算機(jī)服務(wù)器或天河等大型超級(jí)計(jì)算機(jī)。

給高性能計(jì)算加點(diǎn)“料”

PHG的研究始于2005年，那會(huì)兒還是學(xué)生的崔濤跟著導(dǎo)師張林波研究員開展起并行計(jì)算研究。這一頭鉆進(jìn)去就是十幾年，而崔濤也從最初的碩士研究生成長(zhǎng)為中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院的副研究員。

之所以選擇留院工作，崔濤坦言一方面是對(duì)科學(xué)研究的熱衷，另一方面則是受到院內(nèi)老一輩科研工作者刻苦勤奮精神的榜樣力量感召。在獨(dú)立成長(zhǎng)的幾年里，他先后負(fù)責(zé)了國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、面上項(xiàng)目等，圍繞集成電路電磁仿真、地球物理冰川和地震模擬、衍射光柵等重大應(yīng)用，一直以來致力于高性能算法研究和軟件研制工作：提出了求解集成電路等效參數(shù)提取問題的自適應(yīng)有限元方法、電磁散射問題的自適應(yīng)完美匹配層技術(shù)、地震波模擬的基于單元分解的質(zhì)量集中譜元方法和衍射光柵問題的界面重構(gòu)算法等；在國產(chǎn)神威太湖之光和天河高性能計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)十上百萬核、數(shù)十億自由度的大規(guī)模并行數(shù)值模擬；研制了集成電路等效參數(shù)提取軟件ParAFEMCap和ParaAFEMImp、變壓器鐵損有限元模擬軟件FEMAG原型……一系列研究成為高性能計(jì)算技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用中的有益探索和嘗試。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的興起和人工智能的迅猛發(fā)展源起于高性能計(jì)算硬件、算法和軟件的跨越式進(jìn)步。傳統(tǒng)的高性能科學(xué)計(jì)算如何與大數(shù)據(jù)研究結(jié)合也是崔濤近年來一直思考的問題。為了解決朋友提出的“如何根據(jù)酒店自身數(shù)據(jù)和周邊市場(chǎng)數(shù)據(jù)確定在合適的時(shí)機(jī)以合適的價(jià)格賣正確的產(chǎn)品給合適的顧客”的問題，崔濤基于數(shù)據(jù)建模，有效地將單個(gè)酒店歷史數(shù)據(jù)與行業(yè)大數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了以量化的方式進(jìn)行最優(yōu)定價(jià)，減少依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、歷史趨勢(shì)做推測(cè)以及博弈的誤判幾率，為酒店經(jīng)營(yíng)管理提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐分析。

崔濤說，科學(xué)研究是一個(gè)不斷試錯(cuò)的過程。創(chuàng)新不但要求人們保持與時(shí)俱進(jìn)的好奇心，還積極倡導(dǎo)個(gè)人能力全方位的發(fā)展，從而在交叉領(lǐng)域研究中碰撞出新的火花。他申請(qǐng)并成功獲批國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“大地電磁測(cè)深三維正反演并行自適應(yīng)算法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究”。該項(xiàng)目把異構(gòu)并行計(jì)算和地質(zhì)勘探相結(jié)合，擬提出適用于復(fù)雜介質(zhì)反演計(jì)算的基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的電磁場(chǎng)正反演并行自適應(yīng)數(shù)值算法，并開展面向異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)的算法高效實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究。

“在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，關(guān)于地震波的勘探研究很多，而大地電磁測(cè)深法作為研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種重要地球物理勘探輔助手段，需要思考大地電磁測(cè)深等系列問題。這也就使研究回歸到大數(shù)據(jù)本身。”從崔濤的闡述中可以了解，現(xiàn)有大地電磁反演算法由于計(jì)算量大，難以適用于實(shí)際數(shù)據(jù)的大規(guī)模反演解釋，這進(jìn)一步表明了探索與發(fā)展新的大地電磁測(cè)深大規(guī)模三維反演算法兼具著理論意義和實(shí)際價(jià)值的雙重作用。在進(jìn)一步的研究規(guī)劃中，崔濤為了應(yīng)對(duì)大地電磁測(cè)深中三維正反演計(jì)算面臨的復(fù)雜地形、電性各向異性、計(jì)算規(guī)模大的挑戰(zhàn)，以及地球深部探測(cè)對(duì)高精度的計(jì)算需求，致力通過研究三維自適應(yīng)有限元方法及電磁渦流反演算法和面向異構(gòu)眾核高性能計(jì)算機(jī)的算法高效技術(shù)，形成反映計(jì)算方法最新發(fā)展成果、能解決實(shí)際工程問題、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適合異構(gòu)眾核高性能計(jì)算機(jī)的大地電磁測(cè)深計(jì)算程序包。

享受奔跑

科研之于崔濤是工作的一部分，是樂在其中的探索與挑戰(zhàn)。雖然身在中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究所，但是崔濤每年還會(huì)在中國科學(xué)院大學(xué)承擔(dān)一定的研究生教學(xué)任務(wù)，在他看來，適當(dāng)?shù)恼n程教授不僅是為了學(xué)生，也是促進(jìn)自我思考的途徑之一。“在講授課程的過程中，我不僅需要心里想明白還需要嘴上講明白。”這讓他對(duì)知識(shí)的細(xì)枝末節(jié)有了更深的拷問。作為博士生導(dǎo)師的他也會(huì)結(jié)合自身感悟?qū)W(xué)生的教育方式方法進(jìn)行思考。正所謂“強(qiáng)扭的瓜不甜”，崔濤認(rèn)為尊重學(xué)生的意愿，根據(jù)他們自身特點(diǎn)的不同劃分研究方向并加以引導(dǎo)是最佳途徑。

工作的空閑，崔濤愛上了跑步。他享受每一次大汗淋漓的暢快，那種奔跑過后思維的活躍對(duì)于他研究中的思考亦深有裨益。作為一名勇往直前的跑者，他在戶外的賽道上銳不可當(dāng)，也將在科研的漫漫長(zhǎng)路上披荊斬棘，堅(jiān)定地跑下去。