袁健美， 舒 適， 肖愛國， 毛宇亮

（湘潭大學 數(shù)學與計算科學學院， 湖南 湘潭 411105）

建設(shè)高性能計算平臺， 推動數(shù)學類研究生培養(yǎng)

袁健美， 舒 適， 肖愛國， 毛宇亮

（湘潭大學 數(shù)學與計算科學學院， 湖南 湘潭 411105）

高性能計算平臺建設(shè)與數(shù)學、物理、計算機、生物等多學科涉及計算的研究工作密不可分， 在培養(yǎng)高素質(zhì)人才和支撐科技創(chuàng)新等方面起著重要作用. 研究生教育肩負著為國家現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)高素質(zhì)、高層次創(chuàng)造型人才的重任. 本文探討了新形勢下高性能計算平臺建設(shè)在研究生培養(yǎng)中的重要作用. 闡述了依托學科優(yōu)勢， 構(gòu)建高性能科學計算平臺對數(shù)學類專業(yè)研究生科研素質(zhì)培養(yǎng)的推動作用， 以及對促進研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要意義.

高性能計算； 平臺構(gòu)建； 研究生培養(yǎng)； 創(chuàng)新能力

湘潭大學“計算數(shù)學”專業(yè)于1974年設(shè)置， 1976年招收本科生， 是我國恢復(fù)高考制度后最早招收計算數(shù)學本科生的專業(yè)之一， 它經(jīng)歷了專業(yè)發(fā)展的三個階段： “計算數(shù)學”（1987年前）、“計算數(shù)學及其應(yīng)用軟件”（1988～1997年）和“信息與計算科學”（1998年至今）. 如今信息與計算科學專業(yè)為省級重點建設(shè)專業(yè)（1997年）、國家第一類特色專業(yè)（2007年）、‘十二五’專業(yè)綜合改革試點（2012年）， 擁用“計算數(shù)學”國家教學團隊（2008年）. 其所在的湘潭大學數(shù)學與計算科學學院， 構(gòu)筑了以優(yōu)質(zhì)科研資源挖掘為依托， 以優(yōu)質(zhì)育人資源匯聚為保證， 以科學與工程計算為特色的人才培養(yǎng)平臺， 實現(xiàn)了優(yōu)勢學科與特色專業(yè)建設(shè)、教學團隊與科研團隊建設(shè)、人才培養(yǎng)與科學研究的良性互動. 現(xiàn)擁有國家重點學科“計算數(shù)學”、國家特色專業(yè)“信息與計算科學”、國家教學團隊“計算數(shù)學國家教學團隊”、國家精品課程“數(shù)值計算方法”、教育部長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃創(chuàng)新團隊“微分方程數(shù)值方法與生物計算”、湖南省重點實驗室“科學工程與數(shù)值仿真”、湖南省國防科技重點實驗室“國防科技數(shù)值算法與模擬”、湖南省重點專業(yè)“信息與計算科學”、湖南省高?？萍紕?chuàng)新團隊“微分方程數(shù)值方法與信息處理”、湖南省自然科學基金創(chuàng)新群體“微分方程數(shù)值方法及應(yīng)用”、教育部重點實驗室“智能計算與信息處理”（與校信息工程學院共建）、湖南省高校重點實驗室“工程結(jié)構(gòu)動力學與可靠性分析”（與校土木工程與力學學院共建）等一批學科專業(yè)平臺和教學人才培養(yǎng)平臺.經(jīng)過幾代學者的共同努力和辛勤耕耘， 形成了若干在國內(nèi)外有較大影響的研究方向和專業(yè)特色， 并培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的畢業(yè)生.

研究生的教育， 肩負著為國家現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)高素質(zhì)、高層次創(chuàng)造型人才的重任. 本學院在加強師資隊伍建設(shè)的同時， 一直非常重視科研教學平臺的高質(zhì)量構(gòu)建， 不斷完善研究生培養(yǎng)的軟硬件條件. 其中，構(gòu)建和打造高性能科學計算平臺， 努力為數(shù)學類專業(yè)研究生提供良好的科學計算環(huán)境， 就是其中一項非常重要的舉措.

1　高性能計算平臺發(fā)展及現(xiàn)狀

高性能計算平臺是指， 以解決復(fù)雜的科學計算問題為目的的集成計算機系統(tǒng)平臺， 它通過一組松散集成的計算機軟件和硬件連接起來， 高度緊密地協(xié)作完成計算工作， 是用于大規(guī)?？茖W計算的高性能和高可用支撐平臺. 越來越多的科學研究和重大工程中的關(guān)鍵問題必須依靠大規(guī)模、高性能的計算平臺加以解決. 依托高性能計算機系統(tǒng)平臺， 開展科學計算的理論與應(yīng)用研究， 不僅為科學計算學科提供了服務(wù)，而且為數(shù)學類研究生進行數(shù)值計算與模擬仿真提供了高質(zhì)量的計算環(huán)境.

隨著天河一號、神威藍光等千萬億次超級計算機系統(tǒng)的面世， 以及我國高性能計算機（HPC）在世界TOP500 榜單中越來越多的占據(jù)重要地位， 我國高性能計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)逐步受到歐美等發(fā)達國家的關(guān)注. 中國， 正在逐步走入高性能計算大國之列. 然而， 中國的HPC 應(yīng)用與世界領(lǐng)先水平卻有著非常大的差距. 在應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化、性能、可擴展性、投入與可持續(xù)性等諸多方面皆有相當大的差距. 高性能計算領(lǐng)域的專家學者認為， 只有設(shè)計具備良好擴展性的算法和應(yīng)用、保證應(yīng)用性能的可移植性、開發(fā)更多工具軟件的支持來提升軟件生產(chǎn)力才能使千萬億次甚至百億億次高性能計算機系統(tǒng)真正用起來. 目前，美國、日本、歐洲等發(fā)達國家都積極加大對高性能計算機產(chǎn)業(yè)的投入， 中國也不例外， 各國都力爭在百億億次運算時代搶占先機. 跟歐美等發(fā)達國家相比， 我國高性能計算應(yīng)用發(fā)展相對落后， 因此提升我國高性能計算的應(yīng)用軟件開發(fā)、算法移植等“軟實力”成為亟待解決的問題. 研究生是我國研究型人才的后續(xù)力量和生力軍. 對于數(shù)學類研究生而言， 在人才的科研素質(zhì)和綜合能力培養(yǎng)過程中， 高性能計算平臺上的計算實驗對人才綜合素質(zhì)的培養(yǎng)起著不可替代的作用.

2　高性能計算平臺構(gòu)建與數(shù)學類研究生培養(yǎng)

2.1科學計算與高性能計算人才需求

科學計算是20世紀重要科學技術(shù)進步之一， 伴隨著電子計算機的出現(xiàn)而迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用.科學計算已與理論研究和實驗研究相并列成為科學研究的第三種方法， 并成為促進重大科學發(fā)現(xiàn)和科技進步的重要手段. 如今， 科學計算已是體現(xiàn)國家科學技術(shù)核心競爭力的重要標志， 是國家科學技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵要素. 國家重大戰(zhàn)略需求中許多科學問題的解決高度依賴于科學計算中基礎(chǔ)算法與可計算建模的發(fā)展水平. 與時代發(fā)展密切相關(guān)的科學計算， 其水平的高低反映一個國家的科技核心競爭力的強弱， 相應(yīng)的我們也把科學計算科研素質(zhì)作為數(shù)學類研究生培養(yǎng)的必修課， 以適應(yīng)21世紀日趨激烈的科學技術(shù)和人才的競爭.

科學計算即數(shù)值計算， 是指應(yīng)用計算機處理科學研究和工程技術(shù)中所遇到的數(shù)學計算問題. 在現(xiàn)代科學和工程技術(shù)中， 經(jīng)常會遇到大量復(fù)雜的數(shù)值計算問題， 這些問題若用一般的計算工具來解決會非常困難， 而用計算機來處理卻相對容易. 大規(guī)?？茖W與工程計算是伴隨著計算機科學的誕生和科學工程大量的計算需求而發(fā)展起來的一個學科. 目前計算機的科學計算能力仍然有限， 求解精確的數(shù)學模型能力也有限， 許多基礎(chǔ)學科和工程技術(shù)部門已提出超過現(xiàn)有計算能力的大型科學計算問題. 這些問題的解決，有賴于兩方面的努力： 一是創(chuàng)造出更高效的計算方法， 二是大大提高計算機的運算速度. 其中， 采用并行算法和并行計算來求解大規(guī)模問題， 將求解問題的應(yīng)用程序分割成多塊可以并行執(zhí)行的部分并指定到多個處理器上執(zhí)行是一種有效的手段. 實現(xiàn)這一手段的關(guān)鍵在于高性能科學計算平臺的硬件支持. “高性能計算機的戰(zhàn)略性應(yīng)用”已經(jīng)被列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃， 相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)也已經(jīng)成為我們國家中長期發(fā)展規(guī)劃中重點關(guān)注的問題. 目前我國專門從事高性能計算研究的人才積累遠不如發(fā)達國家， 跨學科高性能計算應(yīng)用人才更是嚴重缺乏， 所以持續(xù)加強高性能計算人才的培養(yǎng)已刻不容緩.

2.2數(shù)學類研究生的高性能計算能力的培養(yǎng)

湘潭大學作為全國綜合性重點大學， 以尖端科學研究和教學育人為己任， 早就意識到高性能計算機應(yīng)用的重要性， 學校一直非常重視高性能計算的開展和相關(guān)設(shè)施的建設(shè). 高性能計算牽涉到各方各面， 從科研到教學， 全校多個學科的科技拓展對大型、密集、高性能計算的需求也在與日俱增. 構(gòu)建高性能科學計算平臺的目標是： 傳播科學計算知識， 搭建高性能科學計算實踐平臺， 培育科學計算人才， 推動研究生的科研素質(zhì)培養(yǎng). 此平臺建設(shè)將為一線教師、研究生提供學習、培訓(xùn)、實驗環(huán)境. 因此構(gòu)建高性能科學計算平臺對于國家科學計算平臺使用模式， 科學計算人才培養(yǎng)與就業(yè)， 對于提高計算機應(yīng)用水平都是極有價值的嘗試， 具有重要深遠意義.

在高校高性能計算研究和應(yīng)用的不斷推進過程中， 高性能計算人才的培養(yǎng)也逐漸成為焦點. 我們在研究生科研素質(zhì)培養(yǎng)的框架體系內(nèi)， 以國家科學技術(shù)的實際需求為牽引， 從基礎(chǔ)研究入手， 加強科學計算領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)科學問題研究， 設(shè)計高效基礎(chǔ)算法和建立滿足實際精度要求的可計算模型， 以降低計算復(fù)雜度和計算量， 提高利用高性能計算機解決科學與工程問題的能力， 滿足不斷增長的實際應(yīng)用要求. 目前我國高性能計算面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在應(yīng)用環(huán)境和軟件上， 如何將軟件和自然科學領(lǐng)域的應(yīng)用完美地結(jié)合起來， 充分發(fā)揮高性能計算的功效， 這是發(fā)展我國高性能計算技術(shù)的關(guān)鍵. 因此， 培養(yǎng)高性能計算專業(yè)人才， 構(gòu)建教學和人才培養(yǎng)體系， 促進高性能計算人才與國家高性能計算急需領(lǐng)域的銜接至關(guān)重要. 國家“十一五”規(guī)劃明確地提出對于科技人才的培養(yǎng)， 支持科研環(huán)境的建設(shè)， 加強項目支持， 希望探索以研究項目為載體的培養(yǎng)研究生的有效模式， 提高研究生和博士后質(zhì)量， 保證基礎(chǔ)研究隊伍的源頭供給.

2.3高性能計算建設(shè)助力人才培養(yǎng)

高性能科學計算平臺建設(shè)具有雙重職能， 一是為高校與高性能計算相關(guān)院系的科研、科技創(chuàng)新和教學提供開放式高性能計算資源， 推動自主研發(fā)大型科學與工程計算中的并行算法、高性能計算應(yīng)用支撐環(huán)境和科學計算軟件技術(shù)； 二是通過此類科研平臺的建立， 為學生提供參與科研的機會， 促進學生理論知識和實踐能力相結(jié)合， 使絕大部分的學生在參與科研訓(xùn)練中受益， 同時普及推廣高性能計算應(yīng)用知識和技術(shù)，培養(yǎng)高性能計算應(yīng)用技術(shù)的高層次人才. 基于高性能科學計算平臺， 鼓勵跨學科、跨專業(yè)聘請有關(guān)專家參與研究， 以利于拓寬知識領(lǐng)域， 開闊研究思路， 發(fā)展交叉邊緣學科. 我國各大高校都在大力開展高性能科學計算平臺建設(shè)， 如： 北京大學的科學與工程計算中心、國防科技大學的高性能計算應(yīng)用研究中心、上海大學高性能計算中心、南開大學的高性能計算中心、中國科學技術(shù)大學超級運算中心等， 也都在積極進行科學計算實驗室的建設(shè)， 為研究生科研實驗的順利進行創(chuàng)造優(yōu)越的實驗室硬件條件.

3　依托優(yōu)勢特色學科， 構(gòu)建高性能科學計算平臺

高性能科學計算平臺的建設(shè)與多學科交叉融合的研究工作密不可分， 有著極其鮮明的歷史淵源和時代特征. 湘潭大學計算數(shù)學國家重點學科， 以計算數(shù)學、科學工程計算與數(shù)值仿真為特色， 并與眾多學科交叉融合， 形成了許多計算性學科分支， 如計算流體力學、計算生物學等. 研究中的大規(guī)模科學問題有復(fù)雜流動的高精度數(shù)值仿真、物質(zhì)機理的多尺度計算、能源數(shù)值模擬等， 這些問題的解決都與高性能科學計算密切相關(guān).

2006年， 湘潭大學數(shù)學與計算科學學院計算數(shù)學重點學科聯(lián)合本校凝聚態(tài)物理、計算機科學與理論三個省級重點學科投資建設(shè)了學校第一個大規(guī)模高性能科學計算平臺XTU-HPCC（建成時68個節(jié)點機，在2006年中國高性能計算機性能TOP100中榜上有名）. 為適應(yīng)高性能計算的迅猛發(fā)展， 湘潭大學計算數(shù)學國家重點學科于2013年再新增建設(shè)了一套高性能計算集群， 這個專用科學計算平臺為CPU+GPU異構(gòu)的刀片計算集群， 整機峰值運算能力可達40TFLOPS. 自2014年建成投入運行后， 為湘潭大學多個國家和省級重點學科、教育部和省級重點實驗室、國家級重大和重點科研項目提供科研計算支持， 應(yīng)用領(lǐng)域涉及工程中多尺度問題及模擬、連續(xù)系統(tǒng)數(shù)值仿真、流體力學數(shù)值模擬、生物計算與信息處理等. 此高性能計算平臺全工作日開放， 計算任務(wù)飽滿， 利用率相當高. 在全部計算節(jié)點運行的情況下， 還常有用戶作業(yè)排隊等候計算. 其中與計算緊密相關(guān)的數(shù)學類研究生是高性能計算運用的主力軍， 他們參與了數(shù)學與計算科學學院在XTU-HPCC平臺上開展的教學和科研工作， 如： 并行編程與應(yīng)用、并行環(huán)境搭建、并行軟件應(yīng)用等， 以及國家自然科學基金重大項目、國家“973”計劃子課題、863項目和一大批國家自然科學基金和省部級項目. 近幾年來通過高性能計算應(yīng)用和實踐， 研究生的計算研究能力得到顯著提高， 各類高性能平臺上的軟件運用可與國際接軌. 國內(nèi)外多家著名高校和科研單位都表示十分希望本專業(yè)向他們單位輸送計算類人才， 或選送研究生到他們那里攻讀博士學位或從事博士后研究.

國內(nèi)外高性能科學計算機的發(fā)展日新月異， 為了更好地發(fā)揮其計算優(yōu)勢， 迫切需要培養(yǎng)和鍛煉一支在高性能科學計算領(lǐng)域訓(xùn)練有素的科研隊伍. 在建設(shè)過程中， 我們深刻體會到依托現(xiàn)有高性能科學計算平臺讓研究生參與計算實踐和進行數(shù)值實驗的重要性. 同時， 爭取更多縱向和橫向資源， 研究更快速、更精確、更高效的數(shù)值計算方法和高效仿真算法及其相應(yīng)的應(yīng)用軟件， 擴建或組建新的先進的高性能科學計算平臺. 進一步打造形成具有更高性能的并行計算環(huán)境， 不僅有利于我們在國內(nèi)甚至國際上保持計算研究的優(yōu)勢， 更有利于保證研究生培養(yǎng)的質(zhì)量. 隨著高性能計算推動科研的加速， 我們將瞄準新的中國高性能計算機TOP100排行榜和全球超級計算機TOP500排行榜等國內(nèi)外前沿咨訊， 致力于進一步構(gòu)建和打造符合國際標準的、先進的計算機軟硬件技術(shù)， 建立起讓研究生學以致用的高性能科學計算平臺， 結(jié)合專業(yè)特色不斷提升研究生的科研素質(zhì).

4　結(jié)束語

為了適應(yīng)國內(nèi)外高性能計算平臺日新月異的發(fā)展， 更好地發(fā)揮本學科研究生培養(yǎng)的特色和優(yōu)勢， 面向研究生教育階段的核心——研究生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)， 構(gòu)建出培養(yǎng)高質(zhì)量研究生所需的良好科研硬條件和軟環(huán)境， 是研究生科研素質(zhì)培養(yǎng)的關(guān)鍵. 我們在保持學科專業(yè)的傳統(tǒng)優(yōu)勢和特色的基礎(chǔ)上， 通過高性能科學計算平臺的建設(shè)， 推動研究生科研素質(zhì)教育和高質(zhì)量人才培養(yǎng)， 為涌現(xiàn)更多的拔尖創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ).

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Construction of High Performance Computing Platform，Promoting the Cultivation of Graduate Students in Math Major

YUAN Jian-mei， SHU Shi， XIAO Ai-guo， MAO Yu-liang
（School of Mathematics and Computational Science， Xiangtan University， Xiangtan 411105， China）

The construction of high performance computing platform is tight related to the research work in the fields of math，physics， computer， etc. It is one of the important aspects to cultivate high quality talents and support scientific and technological innovation. In this paper， we discusse the importance of construction of high performance computing platform in the cultivation of graduate students. We also suggeste the function of high performance scientific computing platform during the cultivation of graduate students in math major， which is significant to promoting the cultivation of innovation ability of graduate students.

high performance computing； platform construction； graduate students training； innovation ability

G642

A

1672-5298（2016）03-0091-04

2015-11-03

湖南省高校教學改革研究項目： 本科創(chuàng)新人才的分流培養(yǎng)與案例式研討教學研究； 湖南省高校教學改革研究項目： 基于測控技術(shù)與儀器專業(yè)建設(shè)的大學生創(chuàng)新訓(xùn)練與校企聯(lián)合培養(yǎng)； 湖南省普通高校信息化教學應(yīng)用項目： E板書教學與微課錄播在云計算教育空間的構(gòu)建和應(yīng)用；國家大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目： 虛擬化技術(shù)的集群實驗教學系統(tǒng)設(shè)計； 教改專項： 拔尖人才培養(yǎng)的核心課程案例式教學法與交互式在線板書系統(tǒng)應(yīng)用； 湖南省普通高?！笆濉睂I(yè)綜合改革試點項目（湘教通［2012］266號）； 湖南省研究生精品課程數(shù)值計算方法（KC2011B019）

袁健美（1977- ）， 女， 湖南資興人， 博士， 湘潭大學數(shù)學與計算科學學院副教授. 主要研究方向： 并行計算與信息處理