中國高性能計算教育中的挑戰

安虹

大數據時代，中國的高性能計算教育面臨著更大的挑戰。盡管我國在高性能計算機系統研制方面已經占據世界領先位置，但從面臨的挑戰來看，我們在基礎教育方面還有很大的欠缺。

一、高性能計算技術只能走自主創新的發展道路

過去20年，我國高性能計算技術的發展走過了一段超常規發展道路，超算技術得到迅猛發展。面對這一成績，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的副主任Horst Simon評論說：“中國已經意識到了高性能計算在建模與模擬上的價值，而且增加了模擬運算的數量，并打造了對美國來說有著強大競爭力的設施”。

中國在超算領域的優秀表現，直接導致美國在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算的發展，實際是限制中國的科研發展，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，這套系統的最大亮點是采用了我國完全自主知識產權的申威眾核芯片。有專家稱：“中國超算不怕芯片限售，曙光、神威、天河等系統的研發正是在禁運和封鎖中不斷壯大起來。實踐將會證明，外國對中國產品和技術的禁運，反倒‘逼出中國發展超算核心技術的巨大決心和潛力”。我們用事實證明了中國在超算系統研發領域的實力，也證明了高性能計算技術只能走自主創新的發展道路。

二、適應未來交叉學科領域對高性能計算創新人才的需要

進入21世紀，工藝技術的進步和計算機應用的變化推動了計算機學科迅猛發展，其內涵和外延不斷拓展和豐富，與計算機相關的學科和研究領域也在不斷增加，各種計算機理論、技術和應用層出不窮；計算機學科不斷與其他學科交叉，在完善自身發展理論和技術的同時，不斷拓寬計算機的應用領域，引發世界的深刻變革。

未來，計算機科學最重要的發展是它在各學科和工程中的應用。例如，醫學的重大突破很可能是在生物學家、化學家、計算機科學家跨領域的合作研究下取得。因此，未來計算機學科、科學和工程學科的發展，需要在高性能計算領域培養大量與計算機交叉的創新人才。實踐證明，“創新型人才必須在創新實踐中培養”，將一流教學與一流科研相結合，是高性能計算這一交叉學科創新型人才培養的必由之路。

三、通過大賽提升高性能計算教育水平

國際大學生超算競賽（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）和美國國際超級計算機大會（The International Conference for High Performance

Computing， Networking， Storage and Analysis， 簡稱SC）同樣受到關注。SCC競賽全面考察參賽隊員在設備搭建、軟件優化、LINPACK、HPCG和HPCC測試等方面的能力，最終經過現場答辯，評選出獲獎隊伍。目前，SCC已經成為一場挑戰大學生臨場智力發揮和心理承受極限水平的世界頂級賽事。

中國科技大學組建超算“鴻雁隊”，連續多年參加上述賽事，均取得優異成績，特別是在SC16大會上舉辦的大學生超算競賽中包攬了總分和最高Linpack性能兩項冠軍。在歷時一年左右的參賽準備以及競賽過程中，學生的知識儲備、心理承受力等素質均獲得極大提高，不僅學到最新的高性能計算技術，而且在系統軟硬件的設計和開發中也獲得極大的能力提升。大賽為大學生的創新能力培養提供了強大的驅動力，對引導學生提高學習興趣，激發創造熱情，思考未來職業理想，培養創新素質如跨領域多元化思維、自我表達、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，指導老師對高性能計算有了更深刻的認識，摸索出超算人才培養的新規律。老師們更加懂得如何引導學生興趣；更加理解將來即便不做系統設計，也必須深入了解系統才能用好高性能計算機；體悟到高性能計算領域的教學新思路，可用于創新教育方法，可應用到實踐教學中去；同時還可以發現計算機系統設計的新課題，對于開辟新的研究方向大有裨益。

四、大數據時代下高性能計算教育的新挑戰

大數據時代，中國的高性能計算教育面臨著更大的挑戰。

第一個挑戰來自當代多樣化的計算機體系結構設計?！艾F在的計算機系統結構非常復雜，層次多、變化快，同時復雜的變化無法及時地反應到大學課程中來，對教學提出新要求。

第二個挑戰是編程環境紛繁復雜。目前的并行編程語言和環境有MPI、OpenMP、CUDA、JAVA、OpenCL、HMPP、OpenACC等幾十種。隨著大數據和云計算的發展，并行編程模型和環境工具越來越多，作為教師，需要從中做出甄別并講授給學生，但很多人感到難以快速跟上技術發展的步伐。

第三個挑戰來自編程模型與硬件之間模糊的對應關系，即沒有一個統一的編程模型。我國計算機本科教育中對學生并行編程能力的培養不夠，全國每年約10萬畢業生中能夠編寫并行程序者寥寥無幾。隨著計算機系統結構的變代，編寫并行程序應該成為計算機專業本科教學的必修課。

盡管我國在高性能計算機系統研制方面已經占據世界領先位置，但從面臨的挑戰來看，我們在基礎教育方面還有很大的欠缺。

五、以賽促學，以賽促教

借鑒國際上通過SCC競賽促進高性能計算創新實踐教育的經驗，結合中國高校高性能計算（簡稱HPC）師資嚴重缺乏，應用水平低的基本國情，中國計算機學會（簡稱CCF）高專委發起并設立了全國并行應用挑戰賽（Parallel Application Challenge，簡稱PAC）。PAC大賽每年在中國的高性能計算學術年會HPC China上舉辦，受中國計算機學會高性能計算專業委員會指導，旨在通過提升“理論實踐相結合”的能力，尋找最佳應用，發現頂尖優化人才，助推超算發展，實現強國夢！

PAC大賽首創于2013年，每年舉行一屆，選手來自全國300余所高校，參賽隊伍613支，2500余名師生參與。大賽題目涉及內容非常廣泛，包括能源、氣象、計算流體力學、化學、粒子模擬、宇宙暗物質、航空航天、圖像動畫、金融分析等，涵蓋領域涉及高性能計算及大數據分析領域。選手們通過參加PAC大賽，將課本知識與實踐應用相結合，激發學習興趣，提升創新能力，培養了并行計算的思維和學習方法。

結合專家走進高校授課的活動，競賽有效帶動了國內高校并行計算課程的普及，有越來越多的教師加入并行與分布式計算的課程建設中，大家在教材、課程資源、實踐等環節不斷積累經驗，期待形成更多優秀的課程。

如今，PAC大賽已經成為全國范圍內（含大陸、香港、澳門、臺灣）規模最大的并行應用挑戰賽，并逐漸向建立高性能計算產業、學校、研究機構三方合作的生態系統方向發展，實現了以賽促學、以賽促教，促進了并行計算教育在全國的普及。通過多年的教學和參加競賽，我們深刻體會到，在高性能計算創新實踐教育方面，當前形勢下的高校與企業合作的模式非常有必要，學生只有通過實踐，才能真正搞明白什么是高性能計算。