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      【迎接黨代會·榜樣風采】沖冠——計科院學生團隊勇奪CPC2020金獎記

      2020年11月09日   劉仲銘    點擊:[]

      9月11-12日,在第四屆“神威杯”國產CPU并行應用挑戰賽上,我校計科院本科生團隊(馬聰、張鴻宇、蔣訊、涂然,指導教師彭博、張全)一舉奪得唯一的金獎。

      這是一份沉甸甸的金獎,不僅因為它的獎金高達10萬元,更因為“神威杯”國產CPU并行應用挑戰賽(簡稱CPC)在計算機產教研融合方面的特殊地位。


      團隊成員從左至右:蔣訊、張鴻宇、張全老師、馬聰、涂然

      CPC:讓超算顯神威的礪石

      超級計算機(簡稱超算),被稱作“國之重器”,廣泛應用在國防、前沿科學研究和經濟社會生活的方方面面,也是國際科技競爭的重要領域。超算的核心在于芯片(CPU),由江南計算技術研究所研發、搭載申威芯片的“神威”超級計算機是國產三大系列超算之一。

      與傳統的串行計算不同,在超算上運用的是并行計算技術。并行計算,是指將計算任務劃分為多個部分,分配到不同的處理單元,各處理單元相互協作、同時運行,以達到加快求解速度或提高求解問題規模的目的。而由于超算的稀缺性,在超算上運行的軟件也必須“量身定制”,這樣才能充分發揮超算優越的計算資源與性能。

      但是,目前我國各大超算中心的利用率仍未達到理想水平,主要原因是既精通并行計算技術、又熟悉國產CPU計算平臺的人才缺乏。為此,2017年由中國計算機學會發起、國家超級計算無錫中心等單位承辦的CPC應運而生,其宗旨是激勵高校、科研機構的計科學子積極參與國產CPU應用的開發與創新,通過產教研融合促進國產超算平臺的產業化進程和國際競爭水平。

      CPC賽制由初賽和決賽組成,都以國產超算“神威·太湖之光”為競賽平臺;初賽每屆有上百支隊伍參加,線上報名和提交作品;全國劃分4個區域,每區域前二名進入決賽,余下參賽者按成績總排名角逐剩下8個決賽名額;決賽也在線上進行,最后在國家超級計算無錫中心進行驗算和答辯。最終評選出金獎1名,從有成績的決賽者中評出銀獎、銅獎、并行基金獎若干。

      看看CPC的前三屆金獎得主吧,清華大學、山東大學、華中科技大學。計科院團隊就是在這樣兩輪淘汰、強手如林的比拼中脫穎而出。

      CPC指導委員會共同主席、國家并行計算機工程技術研究中心研究員漆鋒濱為我校隊伍頒獎


      沖冠:一次驚險的“戶外穿越之旅”

      計科院超算與并行計算團隊成立于2019年7月,由本科生組成,專攻以超算為平臺的高性能計算。初生牛犢不怕虎,當年參賽即進入決賽,并獲得并行基金獎。

      今年,經同學們推選,物聯網工程2018級馬聰同學擔任隊長,計科院再次組隊,出征CPC2020。

      日常訓練

      初賽就有點波折,團隊未能進入西部賽區前二名,憑總排名進入決賽。馬聰鼓勵大家說,兄弟們,別灰心!初賽就是一道門,只要進了門,修行靠個人。

      決賽題目公布了,《基于非結構網格的通用計算加速算法》。大家更有點懵圈了,什么是非結構網格?有通用于非結構網格的算法嗎?如何加速?

      非結構網絡,流體力學中的概念。團隊惡補了許多流體力學資料,希望找到突破口,但完全不得要領。

      馬聰召集大家進行“頭腦風暴”。通過相互的思維碰撞,大家認識到,計算機科學以數學為工具,進行人機交互時專注于計算的形式,它完全可以剝離工程應用的內容。

      從工程應用的具象思維跳脫出來后,團隊重新審題。何為“通用計算算法”?就是編寫一套算法,首先必須適用于賽題給定的三種情形,點和邊構成的幾何圖形。然后用盡可能多的算例去驗證,因為在決賽現場要接受不少于五套算例的測試。邏輯上,這是一種歸納的方法。同時,對算法進行優化,以求耗時盡可能短。

      后來在決賽現場,馬聰得知,“暈題”不是他們的個別體驗,很多隊伍都吐槽“題目太抽象了,怎么看都像是給定條件不足”。這是后話了。

      開題都這么費勁,解題就更加不知深淺了。這就像一次戶外穿越之旅,開題只是確定了起點、終點,而中間地帶險象環生,如何找到一條可抵達并耗時最短的路,就靠理性大冒險---代碼編寫了。

      團隊分工,往不同方向打探。其他隊員折返回來了,馬聰的方案被認為最可行。于是,馬聰單兵突進。

      馬聰說,編程的苦樂,很難與外行言說。但他還是盡量“科普”地分享了三個小故事。

      因為算法必須適用于賽題給定的由點和邊構成的三種計算模型,在編寫算法時,首先就要評估并選定并行策略,按點劃分還是按邊劃分?這好比戶外越野遇到的第一個分歧路口。馬聰說,很幸運,他的選擇被證明總體更優;而決賽時交流得知,一些強隊的相反選擇則影響了成績。

      在調試代碼時,經常莫名其妙的出錯,腦袋凝滯到凍起。為此,馬聰去網吧整整“休息”了一天。恍然大悟后,改變了一下數據的存儲方式,就團滅了這些bug。原來,他遇到的是業界所稱的“內存泄漏”問題。

      組委會規定,計算誤差限為10的負14次方。馬聰絞盡腦汁,誤差都只能控制在10的負13次方。幾乎絕望的情況下,團隊向組委會反映,原來所有參賽隊都遇到此問題。為此組委會調整了評分細則。

      就這樣,經由40天沖刺,在無錫,馬聰團隊以算法全部通過測試算例并耗時最短的最優成績,力壓群雄,捧走了“神威杯”。


      我校參賽隊在決賽中,從左至右:指導教師張全、涂然、張鴻宇、馬聰、蔣訊


      獲獎,源于熱愛、勇氣和堅持

      計科院超算與并行計算團隊成立不足兩年,CPC兩次獲獎,在該領域初露鋒芒,顯現了我校計科學子的學科實力。

      指導教師彭博、張全說,CPC的結果有一定的偶然性,一些名校團隊成績不佳甚至缺席決賽,也是正常的。但是,單憑運氣獲獎是不可能的。這次馬聰和同學們能夠奪冠,貴在對計算機科學的熱愛、勇氣和堅持。

      并行計算,計算機科學的一個高地,難!難就難在它不是純算法編寫的,也不是純硬件設計的,而是要站在軟硬件的結合部,針對超算的結構、性能和優勢來編程;理論上,還要在軟硬件之間雙向調試。馬聰、張鴻宇、蔣訊、涂然等10多位同學加入超算與并行計算團隊,在老師指導下知識與能力日益精進。如果不是出于熱愛,誰會知難而上呢?

      馬聰有較強的編程能力,在報名CPC前,就系統研讀了“神威·太湖之光”的技術文檔,這也是他領銜參賽隊的原因。

      報名,與名校隊伍同場競技,是需要勇氣的,尤其今年在疫情之下,參賽要克服特殊的困難。在指導老師的幫助下,4名參賽同學提前返校,為參賽創造了基礎條件。

      在面對決賽題的迷惑期,團隊沒有一個人輕言放棄。大家精神抖擻,像一群小老虎圍著一只刺猬團團轉,尋找突破口。在編寫算法的沖刺期,馬聰同學說,整個人一直處于興奮狀態,從不曾松懈(除了有一天在網吧“休息”),終于在赴無錫前完成了算法的編寫、優化和測試。

      CPC評審委員會主席、中科院計算技術研究所張云泉研究員(左三)與獲獎團隊合影 左二為指導教師彭博

      計科院在教學改革中鼓勵和扶持同學們發展學科愛好。明理樓C有整整兩層樓都是學生科技團隊的團部兼實驗室,每個團隊都有指導教師。馬聰說,同學們只需要交水費就可以了。這無疑為學科競賽提供了肥沃的土壤。

      談起未來計劃,除了考研,團隊決定參加明年的世界大學生超算競賽(ASC),這次張鴻宇自薦當隊長。

      是呀,莫惜金縷衣,惜取少年時,不趁青春年少時往前沖,更待何時?

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