ASC19世界超算大賽擂臺(tái)已建， 群雄角逐誰將折桂？

房曉楠

作為與美國SC、德國ISC并稱全球三大超算競(jìng)賽的ASC大學(xué)生超算競(jìng)賽，一直以來，因其極具挑戰(zhàn)性，且賽題不斷努力與國際大科學(xué)問題相結(jié)合，以提供參賽隊(duì)員更多與國際大科學(xué)工程的親密接觸機(jī)會(huì)，吸引了世界各國大學(xué)生的爭(zhēng)相參與。而今年，ASC19世界超算大賽的擂臺(tái)也已經(jīng)搭好了，群雄角逐，誰又將摘得桂冠呢？

什么是超級(jí)計(jì)算機(jī)？如果打開搜索引擎，你會(huì)看到上面躺著這樣一個(gè)詞條：能夠執(zhí)行一般個(gè)人電腦無法處理的大資料量與高速運(yùn)算的電腦。

也許，看了這一空洞、單一的解釋，你還是會(huì)覺得困惑，“大資料量”有多大？“快速運(yùn)算”又有多快呢？

簡(jiǎn)單來說，在超算的世界里，計(jì)數(shù)單位是萬億次，有著每隔半年便更新一次的“超算英雄榜”——世界500強(qiáng)名單。運(yùn)算能力是衡量超級(jí)計(jì)算機(jī)能否登榜的“硬核標(biāo)準(zhǔn)”，如果一臺(tái)機(jī)器的運(yùn)算能力達(dá)不到每秒500萬億次，它的名字將會(huì)被“無情地”從榜單中抹掉。以中國自主研發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”為例，它的峰值運(yùn)算速度不斷提升，最終達(dá)到每秒12.5億億次，“1”后面17個(gè)“0”，大致相當(dāng)于200萬臺(tái)普通電腦同時(shí)運(yùn)行。正是憑著這樣的成績，“神威·太湖之光”從2013年至2018年6月，連續(xù)四次穩(wěn)坐榜首。

如果，你覺得這些龐大、復(fù)雜的超級(jí)計(jì)算只是存在于實(shí)驗(yàn)室，與我們的日常生活遙遠(yuǎn)而又無關(guān)，那就錯(cuò)了。

一直以來，超算技術(shù)都被視為一個(gè)國家創(chuàng)新能力乃至綜合國力的象征，與我們的生活息息相關(guān)。它在諸如國防、醫(yī)療、高能物理、氣象預(yù)報(bào)、地震海嘯預(yù)測(cè)、軍事、航天等高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，在全球范圍內(nèi)，對(duì)于超級(jí)計(jì)算能力的追求成為各個(gè)國家奮力角逐的目標(biāo)，競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化。

而在超級(jí)計(jì)算技術(shù)如火如荼發(fā)展的同時(shí)，人才緊缺也是超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域一個(gè)不容小覷的問題，但人才的培養(yǎng)不是一朝一夕的事情。該如何加強(qiáng)超算人才的培養(yǎng)，搭建超算領(lǐng)域的人才梯隊(duì)呢？也許，ASC可以告訴我們答案。

不久前，2019ASC世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽（ASC19）啟動(dòng)儀式在北京舉行，中國工程院院士、各大超算中心負(fù)責(zé)人、超算與人工智能專家，以及參賽隊(duì)師生代表等數(shù)百人參加了會(huì)議。

什么是ASC？

ASC，全稱ASC Student Supercomputer Challenge（ASC世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽）是由中國發(fā)起的世界最大規(guī)模的大學(xué)生超算競(jìng)賽，與美國SC、德國ISC并稱全球三大超算競(jìng)賽。

ASC Student Supercomputer Challenge發(fā)韌于2012年，經(jīng)過7年發(fā)展，經(jīng)歷了從中國到亞洲，再從亞洲到世界的規(guī)模升級(jí)，影響力不斷攀升。迄今為止，ASC競(jìng)賽已吸引到全球超過7000名年輕人才參與，參賽隊(duì)伍總數(shù)超過1400支。

而此次，ASC19吸引了全球六大洲超過300支高校隊(duì)伍報(bào)名參賽，通過預(yù)賽決出的20強(qiáng)將進(jìn)入4月21日-25日在大連理工大學(xué)舉行的總決賽。

賽題難度升級(jí)，打通學(xué)科壁壘

作為世界上規(guī)模最大的大學(xué)生超算競(jìng)賽，ASC的每一次賽題都引起參賽選手及業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，而往屆ASC賽題又有怎樣的特點(diǎn)呢？

ASC15，與世界最大射電天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目SKA合作，將其應(yīng)用Gridding作為賽題。

ASC17，采用戈登·貝爾獎(jiǎng)入圍應(yīng)用高分辨率海浪數(shù)值模擬MASNUM及無人駕駛領(lǐng)域AI應(yīng)用作為競(jìng)賽賽題。

ASC18，將冷凍電鏡的核心應(yīng)用三維重構(gòu)軟件Relion作為競(jìng)賽賽題，而這可是2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)冷凍電鏡技術(shù)的核心應(yīng)用。

從往屆ASC這些看似遙遠(yuǎn)而又關(guān)乎人類共同命運(yùn)的賽題中，我們不難發(fā)現(xiàn)，ASC一直在不斷努力將競(jìng)賽與國際大科學(xué)問題結(jié)合，以提供參賽隊(duì)員更多與國際大科學(xué)工程的親密接觸機(jī)會(huì)。

那么，ASC19的賽題又會(huì)有怎樣的驚喜呢？

ASC19賽題包括研究全球氣候變化的地球系統(tǒng)模式CESM，人工智能圖像超分辨率重建SR，以及HPC國際通行基準(zhǔn)測(cè)試HPL和HPCG。

CESM賽題要求參賽大學(xué)生隊(duì)伍利用超級(jí)計(jì)算機(jī)，推演工業(yè)革命開始前10年以及21世紀(jì)前10年全球氣候變化的過程，這將讓大學(xué)生們有機(jī)會(huì)接觸到目前國際上最前沿的氣候變化科學(xué)工程。

CESM是當(dāng)今國際上應(yīng)用最為廣泛的氣候模型，同時(shí)也是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）撰寫第五和第六次評(píng)估報(bào)告所使用的主要?dú)夂蚰Ｐ椭弧ESM是一個(gè)完全耦合的氣候模型，包括大氣、陸地、海洋、海冰、陸冰等幾大模塊，利用物理、化學(xué)、流體力學(xué)等方程式，外加由實(shí)際觀測(cè)得到的氣候場(chǎng)資料作為起始狀態(tài)，最終在超級(jí)計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)氣候變化的過程?？茖W(xué)家們運(yùn)用CESM來模擬海洋生態(tài)系統(tǒng)與溫室氣體的相互作用，臭氧、粉塵和其他大氣化學(xué)物質(zhì)對(duì)氣候的影響，大氣、海洋和地表的碳循環(huán)，以及溫室氣體對(duì)高層大氣的影響等，還可以探索更廣闊的應(yīng)用空間。

從這里我們不難看出，相較以往，ASC19的賽題難度升級(jí)，地球氣候模式CESM賽題所涉及的學(xué)科知識(shí)更為龐大、復(fù)雜，不僅要求學(xué)生有深厚的計(jì)算機(jī)知識(shí)儲(chǔ)備，還要對(duì)物理、化學(xué)、流體力學(xué)、氣象學(xué)，以及地理等學(xué)科知識(shí)都所了解，這樣的賽題設(shè)置是出于怎樣的初衷呢？

對(duì)此，中國科學(xué)院大氣物理研究所所長助理、LASG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任（地球氣候模式CESM賽題負(fù)責(zé)人）周天軍表示，超算大賽將氣候問題作為主題之一，客觀上將會(huì)讓更多從事超算研究的人才對(duì)氣候問題產(chǎn)生濃厚興趣。我們國家是一個(gè)超算大國，但還不是一個(gè)應(yīng)用大國，在許多基礎(chǔ)軟件應(yīng)用方面，與世界強(qiáng)國還存在一定的差距，具體體現(xiàn)在應(yīng)用方面。比如說大氣科學(xué)領(lǐng)域就是其中一個(gè)方面。目前，我們面臨著非常嚴(yán)峻的超算人才不足問題，大學(xué)里現(xiàn)有的院系、專業(yè)，以及課程設(shè)置，基本是按照專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行劃分的，而超算涉及到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)問題、操作系統(tǒng)問題、應(yīng)用軟件等，必須在各個(gè)層面都有一定的背景，才能把超算的效率發(fā)揮到最大。而現(xiàn)在大學(xué)生的教育，很難把各個(gè)環(huán)節(jié)打通，其中一個(gè)原因就是，本科學(xué)生滿足于自己專業(yè)層次的教育，沒有進(jìn)行進(jìn)一步的延伸。而地球系統(tǒng)模式和超算結(jié)合，希望未來能推動(dòng)超算領(lǐng)域的人才與氣候領(lǐng)域的研究合作。

近年來，隨著深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，人工智能的熱潮席卷人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。而在用深度學(xué)的方法處理圖像、語言、視頻等問題時(shí)，背后所需要的計(jì)算量是非常大的。如何使用高性能計(jì)算的方法、工具來解決實(shí)際生活中的AI問題，也正是ASC競(jìng)賽所一直關(guān)注的。

此次，ASC19要求各參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)圖像超分辨率算法（Super-Resolution，簡(jiǎn)稱SR），并訓(xùn)練相應(yīng)的AI模型，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將80張模糊不清的圖像還原成高分辨率圖像，同時(shí)在相似度上符合標(biāo)準(zhǔn)。圖像超分辨率SR技術(shù)是近幾十年來廣受關(guān)注的一項(xiàng)視覺計(jì)算技術(shù)，其目標(biāo)是將低分辨率圖像恢復(fù)或重建為高分辨率圖像。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)特別是生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)GAN被引入到SR研究中，這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星和航天圖像分析、醫(yī)療圖像處理、壓縮圖像/視頻增強(qiáng)及其他應(yīng)用領(lǐng)域。

從關(guān)乎人類命運(yùn)的地球氣候觀測(cè)到解決實(shí)際問題的人工智能圖像超分辨率重建SR，ASC競(jìng)賽賽題設(shè)置都在不斷鼓勵(lì)學(xué)生參與到實(shí)際問題的挑戰(zhàn)中，結(jié)合多學(xué)科之間的知識(shí)交叉，進(jìn)行思考與創(chuàng)新。

正如ASC競(jìng)賽發(fā)起人、中國工程院院士、浪潮集團(tuán)首席科學(xué)家王恩東所說，ASC一直致力于構(gòu)建國際青年人才交流合作平臺(tái)，引導(dǎo)參賽學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力和團(tuán)隊(duì)精神，通過設(shè)置國際大科學(xué)工程和人工智能等前沿技術(shù)賽題，讓年輕學(xué)子們親身感受關(guān)乎人類福祉和文明進(jìn)步的全球重大挑戰(zhàn)，這將有助于培養(yǎng)具有國際視野、前沿技術(shù)思維的復(fù)合型超算及人工智能人才。

ASC19通過預(yù)賽決出的20強(qiáng)將于4月21日-25日在大連理工大學(xué)舉行總決賽。作為總決賽東道主，大連理工大學(xué)副校長姚山在啟動(dòng)會(huì)上表示，大連理工大學(xué)作為國家雙一流建設(shè)高校，非常注重發(fā)展超級(jí)計(jì)算，成立了超算中心作為助推一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的重要公共科研平臺(tái)。同時(shí)，也非常重視超算人才培養(yǎng)，多次參加ASC并取得優(yōu)異成績。主辦ASC19世界超算大賽將有力地推動(dòng)大連理工大學(xué)的超算人才培養(yǎng)、國際交流合作與學(xué)科建設(shè)。

尋找冠軍并不是目標(biāo)

青年是國家的未來和希望，在發(fā)展日益加速的時(shí)代中，人才在各個(gè)領(lǐng)域的需求量在不斷擴(kuò)大，如何加強(qiáng)對(duì)青年人才的培養(yǎng)，是值得業(yè)界思考的問題。

時(shí)代的巨輪在加速前進(jìn)，經(jīng)過近三十年的努力，我國超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制水平和性能已經(jīng)居于全球領(lǐng)先水平，但培養(yǎng)更多的超算應(yīng)用人才，讓更多的人才掌握超算技術(shù)的需求更為迫切。

如今，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)和新應(yīng)用的快速發(fā)展，超算的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍還將進(jìn)一步的拓展。這就需要越來越多的既精通專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，又熟悉并行軟件開發(fā)的復(fù)合型人才。而大學(xué)階段，對(duì)于青年人來說，既是增長知識(shí)的學(xué)習(xí)期，也是培養(yǎng)創(chuàng)新精神和工程能力的起步期，ASC競(jìng)賽通過吸引世界各國大學(xué)生廣泛參與，結(jié)合國際大科學(xué)問題和重大應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置賽題，并且引入世界頂級(jí)的超算系統(tǒng)作為競(jìng)賽平臺(tái)，為廣大的參賽選手搭建了一個(gè)開拓視野，交流技術(shù)，鍛煉能力，增進(jìn)友誼的大舞臺(tái)，它將會(huì)對(duì)培養(yǎng)高水平復(fù)合型的超算人才發(fā)揮重要的作用。

ASC組委會(huì)委員、浪潮人工智能與高性能產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍坦言，ASC競(jìng)賽最重要的一點(diǎn)就是能夠?yàn)閷W(xué)生們提供一個(gè)機(jī)會(huì)和平臺(tái)，讓他們進(jìn)入超算的大門，把學(xué)習(xí)和研究的方向放在超算和交叉學(xué)科上面，通過競(jìng)賽形成自身對(duì)于超算學(xué)科、計(jì)算機(jī)體系發(fā)展的認(rèn)知，掌握超算在不同領(lǐng)域應(yīng)用的能力和基礎(chǔ)，不管在比賽中獲得的名次如何，這種能力和基礎(chǔ)都會(huì)為他以后的學(xué)習(xí)研究或是工作生涯奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！癆SC競(jìng)賽也許并不能立刻選出很多天才型選手，馬上改變世界，但是我們可以看到，8年或是18年后，一定有能夠改變世界的學(xué)生脫穎而出?，F(xiàn)在，已經(jīng)有學(xué)生在一些領(lǐng)域做得非常出色了，而這才是ASC競(jìng)賽對(duì)于人才培養(yǎng)的意義所在?！?/p>

人才的重要性不言而喻，但人才的培養(yǎng)不是一蹴而就的事情，也許通過一屆又一屆的ASC競(jìng)賽，為青年搭建一個(gè)平臺(tái)，讓更多的青年學(xué)生進(jìn)入超算世界，能夠?yàn)槌泐I(lǐng)域培養(yǎng)長序的人才階梯隊(duì)伍，助力超級(jí)計(jì)算的發(fā)展，正如劉軍所言，這正是ASC競(jìng)賽的意義所在。