美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月15日，2018國(guó)際大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽（SC18）在達(dá)拉斯落下帷幕，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系超算團(tuán)隊(duì)摘得總冠軍，總分88.398分（滿分100分），高出第二名新加坡南洋理工大學(xué)11.518分。至此，在2018年三大國(guó)際大學(xué)生超算競(jìng)賽ASC、ISC和SC中，清華大學(xué)超算團(tuán)隊(duì)包攬了全部三項(xiàng)競(jìng)賽的總冠軍，實(shí)現(xiàn)了繼2015年后的又一次“大滿貫”。 這也是清華大學(xué)超算隊(duì)伍在此三大國(guó)際性大學(xué)生超算競(jìng)賽中累計(jì)獲得的第11項(xiàng)冠軍。

參加本次競(jìng)賽的清華學(xué)生超算團(tuán)隊(duì)成員主要由計(jì)算機(jī)系于紀(jì)平（計(jì)52）、余欣健（計(jì)55）、何家傲（計(jì)62）、鄭立言（計(jì)64）、趙成鋼（計(jì)75）和交叉信息院婁晨耀（“姚班”計(jì)科60）6名不同年級(jí)的本科生組成，由參加過多次國(guó)際競(jìng)賽的高性能計(jì)算所研究生曹煥琦、馮冠宇和王邈擔(dān)任技術(shù)支持。指導(dǎo)教師為計(jì)算機(jī)系副教授翟季冬和博士后韓文弢。同時(shí)，本科生唐適之（計(jì)53）、陳宇（計(jì)54）、顧煜賢（計(jì)75）、陳晟祺（計(jì)63）和張晨（計(jì)71）5位同學(xué)參與訓(xùn)練。

全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)（Supercomputing Conference，簡(jiǎn)稱SC）是國(guó)際超算領(lǐng)域的頂級(jí)會(huì)議，國(guó)際影響力巨大。作為會(huì)議的重要組成部分，SC比賽是超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的頂級(jí)賽事，每年舉辦一次，吸引著世界各國(guó)家和地區(qū)的眾多高校參與。比賽旨在促進(jìn)大學(xué)生與工業(yè)界之間的聯(lián)系，推動(dòng)世界各地區(qū)超算青年人才交流和培養(yǎng)，提升超算應(yīng)用水平和研發(fā)能力。

獎(jiǎng)牌

本次競(jìng)賽共有來(lái)自全球15所高校的本科大學(xué)生組隊(duì)參賽。清華大學(xué)作為唯一一所內(nèi)地高校參賽。與傳統(tǒng)強(qiáng)隊(duì)新加坡南洋理工大學(xué)和臺(tái)灣新竹清華大學(xué)等傳統(tǒng)強(qiáng)隊(duì)激烈角逐。比賽要求參賽隊(duì)伍在總功率3000瓦的限制條件下，自行搭建計(jì)算集群并在集群系統(tǒng)上進(jìn)行6個(gè)應(yīng)用程序的性能比拼。在48小時(shí)的競(jìng)賽中完成超算集群的性能基本測(cè)試HPL（直譯為高性能線性系統(tǒng)軟件包）和HPCG（直譯為高性能共軛梯度），大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)，核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的穩(wěn)態(tài)求解與模擬，論文復(fù)現(xiàn)——特大地震模擬，現(xiàn)場(chǎng)公布的神秘應(yīng)用等內(nèi)容。同時(shí)還設(shè)置了采訪、參會(huì)、海報(bào)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，成員需在比賽中向評(píng)委介紹自己優(yōu)化的應(yīng)用和正在進(jìn)行的軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需要在48小時(shí)內(nèi)完成一篇在國(guó)際權(quán)威雜志具有發(fā)表能力的英文論文。

各國(guó)參賽隊(duì)伍

直擊現(xiàn)場(chǎng)

美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月12日19:20，比賽應(yīng)用環(huán)節(jié)正式開始。結(jié)合賽前集訓(xùn)和現(xiàn)場(chǎng)超算集群的性能基本測(cè)試情況，清華團(tuán)隊(duì)根據(jù)給定的部分應(yīng)用程序負(fù)載特征，討論決定采用GPU（圖形處理器）和CPU（中央處理器）不同節(jié)點(diǎn)結(jié)合的集群服務(wù)器配置，很好地平衡了性能測(cè)試和應(yīng)用程序的最終得分。

“最難的是如何取舍。就像攝影，不可能保證一個(gè)鏡頭就將遠(yuǎn)全中近特各個(gè)景別全部涵蓋。”翟季冬這樣告訴記者。何況集群的設(shè)置還要包括處理器類型和數(shù)量、加速器類型和數(shù)量、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器數(shù)量等一系列要素。既要保證基準(zhǔn)測(cè)試程序的性能又要適應(yīng)應(yīng)用程序的需求，這就要求隊(duì)員們對(duì)計(jì)算機(jī)硬件本身和軟件的優(yōu)化有極強(qiáng)的把握，同時(shí)對(duì)比賽策略作出抉擇以及對(duì)比賽結(jié)果擁有正確的預(yù)期。這是一場(chǎng)對(duì)同學(xué)們?nèi)轿荒芰Φ目疾臁?/p>

比賽進(jìn)行中

事實(shí)上，考察從出發(fā)前就開始了。由于主力隊(duì)員唐適之的簽證問題，團(tuán)隊(duì)在出發(fā)前一天臨時(shí)更換了成員。這迫使團(tuán)隊(duì)把早已計(jì)劃好的比賽策略推翻重來(lái)。于紀(jì)平回想起當(dāng)時(shí)的情景，“心里本來(lái)挺沒底的，但還是要硬著頭皮上，相信大家的實(shí)力。”

隨著比賽的深入，挑戰(zhàn)接踵而來(lái)。在應(yīng)用環(huán)節(jié)開始之前是超算集群的性能基本測(cè)試，由隊(duì)長(zhǎng)于紀(jì)平主要負(fù)責(zé)。比賽一開始，規(guī)則的突然調(diào)整讓經(jīng)驗(yàn)豐富的于紀(jì)平也措手不及。本來(lái)是在一定時(shí)間內(nèi)分別記錄HPL和HPCG的最好成績(jī)，而新規(guī)則要求連續(xù)跑完兩項(xiàng)測(cè)試，成績(jī)才是有效的。這無(wú)形中為題目增加了不小的難度。于紀(jì)平回想起當(dāng)天的“驚險(xiǎn)”經(jīng)歷：“因?yàn)镠PL跑完電腦功耗已經(jīng)很大，電腦過熱將影響緊接著的HPCG的速度。連續(xù)跑完兩項(xiàng)測(cè)試大概需要40分鐘到1個(gè)小時(shí)的時(shí)間，大約4點(diǎn)半的時(shí)候我得到一個(gè)成績(jī)，但我不太滿意，所以又重新跑了一次，很驚險(xiǎn)地在結(jié)束的那一刻上交了成績(jī)。”

隊(duì)員們討論解決方案

評(píng)委在清華大學(xué)場(chǎng)地問詢

最讓隊(duì)員們憂心的神秘應(yīng)用也在當(dāng)晚公布——WRF（The Weather Research and Forecasting Model）天氣預(yù)報(bào)模式，是一道超算領(lǐng)域里面的經(jīng)典應(yīng)用題目。在當(dāng)今世界，WRF主要應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)，通常具有極大的數(shù)據(jù)量。“夸張一點(diǎn)說(shuō)，如果使用本次比賽的集群要有將近一棟樓的倍數(shù)，才能跑完整個(gè)數(shù)據(jù)。”何家傲解釋到，“所以我們要在48個(gè)小時(shí)之內(nèi)對(duì)應(yīng)用進(jìn)行編譯還要盡量跑更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這是非常大的挑戰(zhàn)。”

題目要求在給定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上由隊(duì)員們自己生成配置文件和衛(wèi)星云圖。這樣的程序通常都是相關(guān)方面的科研專家來(lái)運(yùn)行的，讓缺乏相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的本科同學(xué)在48小時(shí)之內(nèi)完成這樣的任務(wù)無(wú)疑是一項(xiàng)非比尋常的考驗(yàn)。

在多次比賽的積累中，清華團(tuán)隊(duì)?wèi){借對(duì)同類題目的了解，迅速跑完了第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。但由于題目編譯的復(fù)雜程度超乎尋常，在比賽已經(jīng)進(jìn)行到差不多一半時(shí)間時(shí)，題目的第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的編譯問題一直沒有解決。凌晨4點(diǎn)，6個(gè)年輕人被緊張的氣氛籠罩著。于紀(jì)平回憶“WRF三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，輸入數(shù)據(jù)均為NetCDF(network Common Data Form)網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式，但是后兩個(gè)數(shù)據(jù)使用了舊版的NetCDF文件格式。多次嘗試之后，我們發(fā)現(xiàn)了問題所在，通過在編譯過程中加入NetCDF對(duì)舊版格式的支持后修復(fù)了這個(gè)問題。”凌晨6點(diǎn)，第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)成功跑了起來(lái)。早上9點(diǎn)，神秘應(yīng)用的全部三組數(shù)據(jù)點(diǎn)成功跑完。

沖刺階段毫不放松

比賽期間一直沒回酒店，隊(duì)長(zhǎng)在桌子下稍作休息

最終，憑借全面、深刻的超算系統(tǒng)與應(yīng)用理解能力以及出色的性能優(yōu)化能力，清華團(tuán)隊(duì)在6個(gè)應(yīng)用上取得佳績(jī)獲得88.398分，領(lǐng)先第二名新加坡南洋理工大學(xué)11.518分。以大比分優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先，成為今年SC18的總冠軍。比賽的另外一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)——最高LINPACK（直譯為高性能線性系統(tǒng)軟件包）獎(jiǎng)由新加坡南洋理工大學(xué)獲得。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間15日下午，頒獎(jiǎng)典禮現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)組委會(huì)賽事主席約翰·卡澤宣布清華超算團(tuán)隊(duì)為總冠軍的時(shí)候，成員們激動(dòng)地歡呼了起來(lái)。48個(gè)小時(shí)，這一場(chǎng)脫胎換骨的戰(zhàn)役，清華贏了！

本次會(huì)議中，計(jì)算機(jī)系博士后甘霖獲得高性能專委會(huì)杰出新人獎(jiǎng)（IEEE TCHPC Award for Excellence for Early Career Researchers），是首位獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的中國(guó)學(xué)者。同時(shí)，博士生林恒等人關(guān)于圖計(jì)算的相關(guān)研究“萬(wàn)億邊、秒級(jí)、百萬(wàn)核的圖處理系統(tǒng)”（導(dǎo)師：陳文光教授）入圍了“戈登·貝爾”獎(jiǎng)（全球共6項(xiàng)，其余5項(xiàng)均為美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)）。

大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

興趣是最強(qiáng)戰(zhàn)斗力

面對(duì)復(fù)雜的賽制、燒腦的題目，成員們更愿意把它們視為有趣的挑戰(zhàn)。

回顧比賽的過程，成員鄭立言說(shuō)，“我們要讓一個(gè)程序不停地優(yōu)化，讓它跑得更快，還要降低功耗需求，我覺得這樣的事情特別有趣。”

“從進(jìn)入清華就拜托班主任打聽超算團(tuán)隊(duì)了。”大學(xué)剛?cè)雽W(xué)，成員趙成鋼就對(duì)超算團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生了濃厚的興趣，從參加組會(huì)、熟悉規(guī)則到做外圍支援，從優(yōu)化程序、操控機(jī)器到訓(xùn)練臨場(chǎng)應(yīng)變，一年多之后，剛剛上大學(xué)二年級(jí)的趙成鋼就進(jìn)階為正式隊(duì)員。

“團(tuán)隊(duì)的選拔和培養(yǎng)主要以興趣為主，我們其實(shí)是一個(gè)興趣團(tuán)隊(duì)。”翟季冬介紹到，同學(xué)們?cè)谌粘Ｅ嘤?xùn)中會(huì)表現(xiàn)出不同的興趣，比如紀(jì)平、欣健對(duì)硬件感興趣，成鋼、晨耀對(duì)程序優(yōu)化和程序分析方面有很大的發(fā)揮空間，立言和家傲的英文表達(dá)非常好……我們會(huì)在比賽中極力去發(fā)掘和培養(yǎng)他們的這些興趣。

日常訓(xùn)練

在各司其職的比賽現(xiàn)場(chǎng)，互相照顧成為了這48小時(shí)中6個(gè)年輕人的日常狀態(tài)。何家傲說(shuō)，我們一起解決問題，是志同道合的朋友更是患難之交。

“我們常說(shuō)超算比賽就像F1賽事，是非常綜合的一個(gè)比賽。不僅要擁有先進(jìn)的硬件設(shè)備，同時(shí)還需要隊(duì)員們對(duì)相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有深刻的理解，在高性能計(jì)算方面有扎實(shí)的基本功，極佳的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)策略及語(yǔ)言表達(dá)能力等等。”指導(dǎo)教師韓文弢介紹到。

隊(duì)員們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)向評(píng)委介紹海報(bào)

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系從2012年組建超算團(tuán)隊(duì)至今，共組織參加了17次國(guó)際賽事，50多名同學(xué)參與其中。由于在高性能計(jì)算、并行系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等方面所具有的完整教學(xué)體系，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系為團(tuán)隊(duì)的建設(shè)給予了充分支持，同時(shí)積累了良好的梯隊(duì)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。指導(dǎo)教師翟季冬在超算領(lǐng)域所取得的多項(xiàng)科研成果，也對(duì)團(tuán)隊(duì)的多次奪冠有所幫助。

隊(duì)長(zhǎng)于紀(jì)平說(shuō)，通過參加比賽，接觸到了世界上最先進(jìn)的硬件，因?yàn)楸荣愵}目都是真實(shí)的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用，這更增進(jìn)了自己的實(shí)踐能力。

團(tuán)隊(duì)合影

超算比賽對(duì)于本科教學(xué)是很好的擴(kuò)展和補(bǔ)充。計(jì)算機(jī)系為本科同學(xué)設(shè)置了《編譯計(jì)算》《高性能計(jì)算導(dǎo)論》等超算領(lǐng)域的專業(yè)選修課程，為同學(xué)們了解超算相關(guān)理論打下基礎(chǔ)。而通過團(tuán)隊(duì)集訓(xùn)以及比賽題目中的眾多真實(shí)的科學(xué)計(jì)算程序，更好地鍛煉了同學(xué)們的動(dòng)手實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。

通過參加超算團(tuán)隊(duì)，本科畢業(yè)后更多的同學(xué)選擇在超算領(lǐng)域繼續(xù)走下去。

知識(shí)點(diǎn)

超級(jí)計(jì)算（supercomputing），也稱為高性能計(jì)算（high-performance computing），是研發(fā)超級(jí)計(jì)算機(jī)（supercomputer）及其軟件和應(yīng)用的領(lǐng)域。

國(guó)際大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽（SC超算競(jìng)賽）2007年始于美國(guó)，與世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽（ASC，始于2012年），國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽（ISC超算競(jìng)賽，2012年源于德國(guó)）并列為世界最具權(quán)威性的三大國(guó)際大學(xué)生超算競(jìng)賽。清華學(xué)生超算團(tuán)隊(duì)從2010年開始征戰(zhàn)上述三大國(guó)際賽事，早在2015年清華超算團(tuán)隊(duì)取得了三大賽事的全部冠軍，實(shí)現(xiàn)了第一次“大滿貫”。

編程是讓計(jì)算機(jī)為解決某個(gè)問題而使用某種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫程序代碼，并最終得到相應(yīng)結(jié)果的過程。為了使計(jì)算機(jī)能夠理解人的意圖，人類就必須要將需解決的問題的思路、方法、和手段通過計(jì)算機(jī)能夠理解的形式告訴計(jì)算機(jī)，使得計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)人的指令一步一步去工作，完成某種特定的任務(wù)。這種人和計(jì)算機(jī)之間交流的過程就是編程。

跑數(shù)據(jù)指編程后，為檢驗(yàn)其是否有紕漏，代入各種情況，并將其輸出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)答案比對(duì)的過程。

NetCDF(network Common Data Form)網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式是由美國(guó)大學(xué)大氣研究協(xié)會(huì)（University Corporation for Atmospheric Research，UCAR)的Unidata項(xiàng)目科學(xué)家針對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開發(fā)的，是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)。目前，NetCDF廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、水文、海洋學(xué)、環(huán)境模擬、地球物理等諸多領(lǐng)域。用戶可以借助多種方式方便地管理和操作 NetCDF 數(shù)據(jù)集。