建设高性能计算平台， 推动数学类研究生培养

袁健美， 舒 适， 肖爱国， 毛宇亮

（湘潭大学 数学与计算科学学院， 湖南 湘潭 411105）

建设高性能计算平台， 推动数学类研究生培养

袁健美， 舒 适， 肖爱国， 毛宇亮

（湘潭大学 数学与计算科学学院， 湖南 湘潭 411105）

高性能计算平台建设与数学、物理、计算机、生物等多学科涉及计算的研究工作密不可分， 在培养高素质人才和支撑科技创新等方面起着重要作用. 研究生教育肩负着为国家现代化建设培养高素质、高层次创造型人才的重任. 本文探讨了新形势下高性能计算平台建设在研究生培养中的重要作用. 阐述了依托学科优势， 构建高性能科学计算平台对数学类专业研究生科研素质培养的推动作用， 以及对促进研究生创新能力培养的重要意义.

高性能计算； 平台构建； 研究生培养； 创新能力

湘潭大学“计算数学”专业于1974年设置， 1976年招收本科生， 是我国恢复高考制度后最早招收计算数学本科生的专业之一， 它经历了专业发展的三个阶段： “计算数学”（1987年前）、“计算数学及其应用软件”（1988～1997年）和“信息与计算科学”（1998年至今）. 如今信息与计算科学专业为省级重点建设专业（1997年）、国家第一类特色专业（2007年）、‘十二五’专业综合改革试点（2012年）， 拥用“计算数学”国家教学团队（2008年）. 其所在的湘潭大学数学与计算科学学院， 构筑了以优质科研资源挖掘为依托， 以优质育人资源汇聚为保证， 以科学与工程计算为特色的人才培养平台， 实现了优势学科与特色专业建设、教学团队与科研团队建设、人才培养与科学研究的良性互动. 现拥有国家重点学科“计算数学”、国家特色专业“信息与计算科学”、国家教学团队“计算数学国家教学团队”、国家精品课程“数值计算方法”、教育部长江学者和创新团队发展计划创新团队“微分方程数值方法与生物计算”、湖南省重点实验室“科学工程与数值仿真”、湖南省国防科技重点实验室“国防科技数值算法与模拟”、湖南省重点专业“信息与计算科学”、湖南省高校科技创新团队“微分方程数值方法与信息处理”、湖南省自然科学基金创新群体“微分方程数值方法及应用”、教育部重点实验室“智能计算与信息处理”（与校信息工程学院共建）、湖南省高校重点实验室“工程结构动力学与可靠性分析”（与校土木工程与力学学院共建）等一批学科专业平台和教学人才培养平台.经过几代学者的共同努力和辛勤耕耘， 形成了若干在国内外有较大影响的研究方向和专业特色， 并培养了一大批优秀的毕业生.

研究生的教育， 肩负着为国家现代化建设培养高素质、高层次创造型人才的重任. 本学院在加强师资队伍建设的同时， 一直非常重视科研教学平台的高质量构建， 不断完善研究生培养的软硬件条件. 其中，构建和打造高性能科学计算平台， 努力为数学类专业研究生提供良好的科学计算环境， 就是其中一项非常重要的举措.

1　高性能计算平台发展及现状

高性能计算平台是指， 以解决复杂的科学计算问题为目的的集成计算机系统平台， 它通过一组松散集成的计算机软件和硬件连接起来， 高度紧密地协作完成计算工作， 是用于大规模科学计算的高性能和高可用支撑平台. 越来越多的科学研究和重大工程中的关键问题必须依靠大规模、高性能的计算平台加以解决. 依托高性能计算机系统平台， 开展科学计算的理论与应用研究， 不仅为科学计算学科提供了服务，而且为数学类研究生进行数值计算与模拟仿真提供了高质量的计算环境.

随着天河一号、神威蓝光等千万亿次超级计算机系统的面世， 以及我国高性能计算机（HPC）在世界TOP500 榜单中越来越多的占据重要地位， 我国高性能计算产业的发展已经逐步受到欧美等发达国家的关注. 中国， 正在逐步走入高性能计算大国之列. 然而， 中国的HPC 应用与世界领先水平却有着非常大的差距. 在应用软件的产业化、性能、可扩展性、投入与可持续性等诸多方面皆有相当大的差距. 高性能计算领域的专家学者认为， 只有设计具备良好扩展性的算法和应用、保证应用性能的可移植性、开发更多工具软件的支持来提升软件生产力才能使千万亿次甚至百亿亿次高性能计算机系统真正用起来. 目前，美国、日本、欧洲等发达国家都积极加大对高性能计算机产业的投入， 中国也不例外， 各国都力争在百亿亿次运算时代抢占先机. 跟欧美等发达国家相比， 我国高性能计算应用发展相对落后， 因此提升我国高性能计算的应用软件开发、算法移植等“软实力”成为亟待解决的问题. 研究生是我国研究型人才的后续力量和生力军. 对于数学类研究生而言， 在人才的科研素质和综合能力培养过程中， 高性能计算平台上的计算实验对人才综合素质的培养起着不可替代的作用.

2　高性能计算平台构建与数学类研究生培养

2.1科学计算与高性能计算人才需求

科学计算是20世纪重要科学技术进步之一， 伴随着电子计算机的出现而迅速发展并得到广泛应用.科学计算已与理论研究和实验研究相并列成为科学研究的第三种方法， 并成为促进重大科学发现和科技进步的重要手段. 如今， 科学计算已是体现国家科学技术核心竞争力的重要标志， 是国家科学技术创新发展的关键要素. 国家重大战略需求中许多科学问题的解决高度依赖于科学计算中基础算法与可计算建模的发展水平. 与时代发展密切相关的科学计算， 其水平的高低反映一个国家的科技核心竞争力的强弱， 相应的我们也把科学计算科研素质作为数学类研究生培养的必修课， 以适应21世纪日趋激烈的科学技术和人才的竞争.

科学计算即数值计算， 是指应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学计算问题. 在现代科学和工程技术中， 经常会遇到大量复杂的数值计算问题， 这些问题若用一般的计算工具来解决会非常困难， 而用计算机来处理却相对容易. 大规模科学与工程计算是伴随着计算机科学的诞生和科学工程大量的计算需求而发展起来的一个学科. 目前计算机的科学计算能力仍然有限， 求解精确的数学模型能力也有限， 许多基础学科和工程技术部门已提出超过现有计算能力的大型科学计算问题. 这些问题的解决，有赖于两方面的努力： 一是创造出更高效的计算方法， 二是大大提高计算机的运算速度. 其中， 采用并行算法和并行计算来求解大规模问题， 将求解问题的应用程序分割成多块可以并行执行的部分并指定到多个处理器上执行是一种有效的手段. 实现这一手段的关键在于高性能科学计算平台的硬件支持. “高性能计算机的战略性应用”已经被列入国家中长期科技发展规划， 相关应用软件的开发也已经成为我们国家中长期发展规划中重点关注的问题. 目前我国专门从事高性能计算研究的人才积累远不如发达国家， 跨学科高性能计算应用人才更是严重缺乏， 所以持续加强高性能计算人才的培养已刻不容缓.

2.2数学类研究生的高性能计算能力的培养

湘潭大学作为全国综合性重点大学， 以尖端科学研究和教学育人为己任， 早就意识到高性能计算机应用的重要性， 学校一直非常重视高性能计算的开展和相关设施的建设. 高性能计算牵涉到各方各面， 从科研到教学， 全校多个学科的科技拓展对大型、密集、高性能计算的需求也在与日俱增. 构建高性能科学计算平台的目标是： 传播科学计算知识， 搭建高性能科学计算实践平台， 培育科学计算人才， 推动研究生的科研素质培养. 此平台建设将为一线教师、研究生提供学习、培训、实验环境. 因此构建高性能科学计算平台对于国家科学计算平台使用模式， 科学计算人才培养与就业， 对于提高计算机应用水平都是极有价值的尝试， 具有重要深远意义.

在高校高性能计算研究和应用的不断推进过程中， 高性能计算人才的培养也逐渐成为焦点. 我们在研究生科研素质培养的框架体系内， 以国家科学技术的实际需求为牵引， 从基础研究入手， 加强科学计算领域的重要基础科学问题研究， 设计高效基础算法和建立满足实际精度要求的可计算模型， 以降低计算复杂度和计算量， 提高利用高性能计算机解决科学与工程问题的能力， 满足不断增长的实际应用要求. 目前我国高性能计算面临的挑战主要体现在应用环境和软件上， 如何将软件和自然科学领域的应用完美地结合起来， 充分发挥高性能计算的功效， 这是发展我国高性能计算技术的关键. 因此， 培养高性能计算专业人才， 构建教学和人才培养体系， 促进高性能计算人才与国家高性能计算急需领域的衔接至关重要. 国家“十一五”规划明确地提出对于科技人才的培养， 支持科研环境的建设， 加强项目支持， 希望探索以研究项目为载体的培养研究生的有效模式， 提高研究生和博士后质量， 保证基础研究队伍的源头供给.

2.3高性能计算建设助力人才培养

高性能科学计算平台建设具有双重职能， 一是为高校与高性能计算相关院系的科研、科技创新和教学提供开放式高性能计算资源， 推动自主研发大型科学与工程计算中的并行算法、高性能计算应用支撑环境和科学计算软件技术； 二是通过此类科研平台的建立， 为学生提供参与科研的机会， 促进学生理论知识和实践能力相结合， 使绝大部分的学生在参与科研训练中受益， 同时普及推广高性能计算应用知识和技术，培养高性能计算应用技术的高层次人才. 基于高性能科学计算平台， 鼓励跨学科、跨专业聘请有关专家参与研究， 以利于拓宽知识领域， 开阔研究思路， 发展交叉边缘学科. 我国各大高校都在大力开展高性能科学计算平台建设， 如： 北京大学的科学与工程计算中心、国防科技大学的高性能计算应用研究中心、上海大学高性能计算中心、南开大学的高性能计算中心、中国科学技术大学超级运算中心等， 也都在积极进行科学计算实验室的建设， 为研究生科研实验的顺利进行创造优越的实验室硬件条件.

3　依托优势特色学科， 构建高性能科学计算平台

高性能科学计算平台的建设与多学科交叉融合的研究工作密不可分， 有着极其鲜明的历史渊源和时代特征. 湘潭大学计算数学国家重点学科， 以计算数学、科学工程计算与数值仿真为特色， 并与众多学科交叉融合， 形成了许多计算性学科分支， 如计算流体力学、计算生物学等. 研究中的大规模科学问题有复杂流动的高精度数值仿真、物质机理的多尺度计算、能源数值模拟等， 这些问题的解决都与高性能科学计算密切相关.

2006年， 湘潭大学数学与计算科学学院计算数学重点学科联合本校凝聚态物理、计算机科学与理论三个省级重点学科投资建设了学校第一个大规模高性能科学计算平台XTU-HPCC（建成时68个节点机，在2006年中国高性能计算机性能TOP100中榜上有名）. 为适应高性能计算的迅猛发展， 湘潭大学计算数学国家重点学科于2013年再新增建设了一套高性能计算集群， 这个专用科学计算平台为CPU+GPU异构的刀片计算集群， 整机峰值运算能力可达40TFLOPS. 自2014年建成投入运行后， 为湘潭大学多个国家和省级重点学科、教育部和省级重点实验室、国家级重大和重点科研项目提供科研计算支持， 应用领域涉及工程中多尺度问题及模拟、连续系统数值仿真、流体力学数值模拟、生物计算与信息处理等. 此高性能计算平台全工作日开放， 计算任务饱满， 利用率相当高. 在全部计算节点运行的情况下， 还常有用户作业排队等候计算. 其中与计算紧密相关的数学类研究生是高性能计算运用的主力军， 他们参与了数学与计算科学学院在XTU-HPCC平台上开展的教学和科研工作， 如： 并行编程与应用、并行环境搭建、并行软件应用等， 以及国家自然科学基金重大项目、国家“973”计划子课题、863项目和一大批国家自然科学基金和省部级项目. 近几年来通过高性能计算应用和实践， 研究生的计算研究能力得到显著提高， 各类高性能平台上的软件运用可与国际接轨. 国内外多家著名高校和科研单位都表示十分希望本专业向他们单位输送计算类人才， 或选送研究生到他们那里攻读博士学位或从事博士后研究.

国内外高性能科学计算机的发展日新月异， 为了更好地发挥其计算优势， 迫切需要培养和锻炼一支在高性能科学计算领域训练有素的科研队伍. 在建设过程中， 我们深刻体会到依托现有高性能科学计算平台让研究生参与计算实践和进行数值实验的重要性. 同时， 争取更多纵向和横向资源， 研究更快速、更精确、更高效的数值计算方法和高效仿真算法及其相应的应用软件， 扩建或组建新的先进的高性能科学计算平台. 进一步打造形成具有更高性能的并行计算环境， 不仅有利于我们在国内甚至国际上保持计算研究的优势， 更有利于保证研究生培养的质量. 随着高性能计算推动科研的加速， 我们将瞄准新的中国高性能计算机TOP100排行榜和全球超级计算机TOP500排行榜等国内外前沿咨讯， 致力于进一步构建和打造符合国际标准的、先进的计算机软硬件技术， 建立起让研究生学以致用的高性能科学计算平台， 结合专业特色不断提升研究生的科研素质.

4　结束语

为了适应国内外高性能计算平台日新月异的发展， 更好地发挥本学科研究生培养的特色和优势， 面向研究生教育阶段的核心——研究生科研创新能力的培养， 构建出培养高质量研究生所需的良好科研硬条件和软环境， 是研究生科研素质培养的关键. 我们在保持学科专业的传统优势和特色的基础上， 通过高性能科学计算平台的建设， 推动研究生科研素质教育和高质量人才培养， 为涌现更多的拔尖创新人才奠定基础.

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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

湖南省高校教学改革研究项目： 本科创新人才的分流培养与案例式研讨教学研究； 湖南省高校教学改革研究项目： 基于测控技术与仪器专业建设的大学生创新训练与校企联合培养； 湖南省普通高校信息化教学应用项目： E板书教学与微课录播在云计算教育空间的构建和应用；国家大学生研究性学习和创新性实验计划项目： 虚拟化技术的集群实验教学系统设计； 教改专项： 拔尖人才培养的核心课程案例式教学法与交互式在线板书系统应用； 湖南省普通高校“十二五”专业综合改革试点项目（湘教通［2012］266号）； 湖南省研究生精品课程数值计算方法（KC2011B019）

袁健美（1977- ）， 女， 湖南资兴人， 博士， 湘潭大学数学与计算科学学院副教授. 主要研究方向： 并行计算与信息处理