安虹

大數(shù)據(jù)時代，中國的高性能計算教育面臨著更大的挑戰(zhàn)。盡管我國在高性能計算機系統(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驗室的副主任Horst Simon評論說：“中國已經(jīng)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(shù)量，并打造了對美國來說有著強大競爭力的設(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(fā)展，實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)正是在禁運和封鎖中不斷壯大起來。實踐將會證明，外國對中國產(chǎn)品和技術(shù)的禁運，反倒‘逼出中國發(fā)展超算核心技術(shù)的巨大決心和潛力”。我們用事實證明了中國在超算系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域的實力，也證明了高性能計算技術(shù)只能走自主創(chuàng)新的發(fā)展道路。

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

進入21世紀，工藝技術(shù)的進步和計算機應(yīng)用的變化推動了計算機學科迅猛發(fā)展，其內(nèi)涵和外延不斷拓展和豐富，與計算機相關(guān)的學科和研究領(lǐng)域也在不斷增加，各種計算機理論、技術(shù)和應(yīng)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(fā)展理論和技術(shù)的同時，不斷拓寬計算機的應(yīng)用領(lǐng)域，引發(fā)世界的深刻變革。

未來，計算機科學最重要的發(fā)展是它在各學科和工程中的應(yīng)用。例如，醫(yī)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(lǐng)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(fā)展，需要在高性能計算領(lǐng)域培養(yǎng)大量與計算機交叉的創(chuàng)新人才。實踐證明，“創(chuàng)新型人才必須在創(chuàng)新實踐中培養(yǎng)”，將一流教學與一流科研相結(jié)合，是高性能計算這一交叉學科創(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(guān)注。SCC競賽全面考察參賽隊員在設(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，評選出獲獎隊伍。目前，SCC已經(jīng)成為一場挑戰(zhàn)大學生臨場智力發(fā)揮和心理承受極限水平的世界頂級賽事。

中國科技大學組建超算“鴻雁隊”，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(zhì)均獲得極大提高，不僅學到最新的高性能計算技術(shù)，而且在系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計和開發(fā)中也獲得極大的能力提升。大賽為大學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了強大的驅(qū)動力，對引導學生提高學習興趣，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、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(yǎng)的新規(guī)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(tǒng)設(shè)計，也必須深入了解系統(tǒng)才能用好高性能計算機；體悟到高性能計算領(lǐng)域的教學新思路，可用于創(chuàng)新教育方法，可應(yīng)用到實踐教學中去；同時還可以發(fā)現(xiàn)計算機系統(tǒng)設(shè)計的新課題，對于開辟新的研究方向大有裨益。

四、大數(shù)據(jù)時代下高性能計算教育的新挑戰(zhàn)

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

第一個挑戰(zhàn)來自當代多樣化的計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計?！艾F(xiàn)在的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，層次多、變化快，同時復(fù)雜的變化無法及時地反應(yīng)到大學課程中來，對教學提出新要求。

第二個挑戰(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，即沒有一個統(tǒng)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(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。隨著計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變代，編寫并行程序應(yīng)該成為計算機專業(yè)本科教學的必修課。

盡管我國在高性能計算機系統(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，以賽促教

借鑒國際上通過SCC競賽促進高性能計算創(chuàng)新實踐教育的經(jīng)驗，結(jié)合中國高校高性能計算（簡稱HPC）師資嚴重缺乏，應(yīng)用水平低的基本國情，中國計算機學會（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算學術(shù)年會HPC China上舉辦，受中國計算機學會高性能計算專業(yè)委員會指導，旨在通過提升“理論實踐相結(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，實現(xiàn)強國夢！

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、計算流體力學、化學、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，將課本知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合，激發(fā)學習興趣，提升創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了并行計算的思維和學習方法。

結(jié)合專家走進高校授課的活動，競賽有效帶動了國內(nèi)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(shè)中，大家在教材、課程資源、實踐等環(huán)節(jié)不斷積累經(jīng)驗，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算產(chǎn)業(yè)、學校、研究機構(gòu)三方合作的生態(tài)系統(tǒng)方向發(fā)展，實現(xiàn)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(chuàng)新實踐教育方面，當前形勢下的高校與企業(yè)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。