趟出高校科研第三条路

“牛顿看到苹果从树上落下来而发现了地球吸引力，依靠的是理论研究的方法；居里夫人几十年如一日地埋头实验室而发现铀、镭等化学元素，依赖的是实验科学的方法。现在，继传统的理论研究和实验科学之后，高性能计算正在成为科研的第三种方法。”前不久，湘潭大学数学与系统科学学院袁健美在接受记者采访时就表示，随着计算机技术的日新月异，我国越来越多的高等院校开始尝试利用高性能计算技术进行科研。今年1月底建设完成的湘潭大学高性能计算平台，就率先趟出了高校科研的第三条路。而湘潭大学在高性能计算平台建设中，对国外高性能计算平台的分析对比、依据自身需求特点进行的建设模式的尝试，都特别值得国内其他高校同行分享和思考。

高校科研的新道路

坐落在伟人——毛泽东故乡的湘潭大学，是一所综合性的全国重点大学，也是全国首批具有硕士学位授予权的高等院校，学校目前设有20个学院和教学部，学科覆盖9大门类，形成了一批有突出特色和明显优势的学科专业群体。比如流变力学和消费经济学就是湘潭大学首创的学科；再比如高分子化学与物理、一般力学与力学基础、计算数学、凝聚态物理、流变力学、化学工程等学科在国内影响都较大。

除了作为国家教育基地之外，高等院校一直也是国家科技原始创新的主要基地，这一点对湘潭大学也不例外。近年来，湘潭大学一直承担着众多国家重点科研课题任务，承接了国家规划项目、“863”、“973”高科技项目、攀登计划项目以及国家自然科学基金、社会科学基金重点项目和省部级重点项目等。

相关研究表明，在影响人类生活方式的重大科研成果中，70%都诞生于高等学校，特别是信息、生物、新材料等领域的新知识、新技术更是如此。对于这些能解决经济与社会发展问题的重大科研项目，如果依然沿用类似牛顿、居里夫人的那种耗时漫长的科研方法，不仅研究方法本身落后于时代，而且科研项目也很难短期得出研究成果。早在上世纪七十年代，国外发达国家就诞生了利用高性能计算进行科研的方法。

也许有人会问，利用高性能计算进行科研具体采用的是什么原理呢？简单地说就是：对于一个物理或自然现象，通过已有的知识抽象出一个模型；然后，基于这个模型编写出计算机处理程序；最后，利用高性能计算技术完成科学计算。目前，国际上这种利用计算机做科研方面的数值模拟工作、数值计算工作的方法，已经相对成熟；应用的领域也非常广，如：物理、化学、生物、材料、图形、图像等。我国的高等院校则是近几年才开始尝试高性能计算技术的。

我国尚处在推广前期

“相对于美国、日本等发达国家，我国高性能计算的实际应用目前虽然已经过了萌芽阶段，但还处在推广阶段的前期。”

科学计算是伴随着电子计算机的出现而迅速发展并获得广泛应用的新兴交叉学科，是数学及计算机应用于高科技领域必不可少的纽带和工具。高性能计算机的研制水平和实际应用水平是显示一个国家高性能计算能力的两个方面。从国际高校高性能计算应用的现实发展看，一般都会经历萌芽、推广和成熟三个阶段。

有人说，高性能计算的应用门槛和一个国家的综合实力有很大关系。只有当一个国家的综合实力达到一定程度之后，高性能计算才能应用得比较好。当前，在一些综合实力比较高、高性能计算发展比较成熟的国家，高性能计算应用对于高校的价值已经远远超越于科研的本身，它甚至可以为高校带来直接经济效益，成为高校生产力的一部分。而在我国高校里，由高性能计算应用带来直接经济收益的例子目前还特别少，更不用说成为高校生产力了。目前，很多高校用户对高性能计算的应用还仅仅体现在发表几篇论文的阶段。

湘潭大学正是看到了全球高校科研的这种发展趋势，于2006年初开始着手高性能计算平台的选型。在正式开展此次高性能计算平台建设之前，湘潭大学还进行了有准备地信息化应用实践。例如：在2000年初，湘潭大学校内即引入了用于数值计算和仿真模拟的并行机；同期，各院系也基于不同的应用组建了微机集群，开展相关学科研究和应用探索。近年来，湘潭大学更加注重合理运用中科院计算机网络信息中心、上海超级计算中心等国内著名高性能信息环境；并加强对教师和学生进行高性能信息及相关学科知识体系方面的培养，推动本校科研人员与国内、国际前沿领域中的专家学者、科研人员的合作交流。

采取三个学院合建模式

在建设模式上，湘潭大学尝试了区别于其他高校高性能计算中心的建设方式。袁健美介绍，此次高性能计算平台的采购并不是湘潭大学独立完成，而是由数学与系统科学学院、材料与光电物理学院和信息工程学院三个院系，为了提高院系科研能力而进行的一次联合的信息化建设尝试，目的非常明确。

这种联合建设模式实质蕴含着资源共享的理念，这是值得我国其他高校借鉴之处。为什么这么说呢？一般而言，并行计算、高性能计算所选择的计算机规模，主要与课题研究的应用需求和课题的实际经费两个因素有关。如果单靠一个学院的单一教师的经费购买高性能计算机，投入经费多在几十万到两百万之间，建设规模也仅局限于十几个节点至50个节点之内。这类计算中心的峰值计算也仅两万亿次，计算效率有限。而如果顺应计算资源和数据资源共享的趋势，由多个院系或高校整体牵头来统一建设，积少成多，投资规模就能达到千万级别，峰值计算甚至能超过十万亿次。

高校教师对高性能计算中心的应用规律，也非常适合资源共享的思路。首先，大学教师对高性能计算中心应用的时间段有一定的交错性。某位教师可能在某段时间用得比较多，而在其他时间段又不怎么用。因此穿插应用特别能提高计算资源的利用率。其次是一个软件投入成本的问题。软件都是按照CPU收费的，比如两个做流体的教师，如果分别购买软件，就造成了双倍的投资。而如果学校统一购买软件，软件综合的性价比就大为提。另外，对于进行应用领域研究的教师，其主要精力一般会放在研究领域及专业编译程序上，计算机只是一个工具，他基本没有过多的精力放在管理和维护计算中心上。而由学校统一安排计算中心管理人员，也可以解除科研教师的后顾之忧。所以说，联合共建或统一建设的模式是高校高性能计算中心的一大应用趋势。

如果再将这个话题的讨论深入一步，还会涉及到高性能计算中心的经营问题。在这一点上，国外的高性能计算中心的经营方式多少可以启发我国高教管理的思路。比如，美国有很多高性能计算中心供高校教师使用，但很少是高校自己投资建设的。一般而言，教师在这样的计算中心算题得到非常好的技术支持和服务的同时，也要交一定的技术费用。但如果一位教师编出了一个非常有价值的专业运算软件，高性能计算中心不但不收相应的技术费，美国政府还会给教师一定的奖励。由此，高性能计算中心就真的转换成了高校的实际生产力了。

硬性指标主导初期选型

至今，湘潭大学高性能计算平台已经建成半年多，这其间，三个院系正紧锣密鼓地开展着多项高性能计算与并行应用研究。比如：数学与系统科学学院正在进行并行算法和并行效率的研究，同时运用大规模并行计算进行有限元方法、多重网格法等研究；材料与光电物理学院运用从头计算方法、专业计算软件对材料物性进行大规模的科学计算及模拟；信息工程学院运用专业应用软件，进行基因、蛋白质、小波分析等相关课题的研究。

因为现在系统运行稳定，湘潭大学还鼓励其他各院老师进一步深入开展应用。如：973课题子课题“高性能科学计算研究”，目前也正在该平台上进行。另外，湘潭大学还有多项跨学科交叉项目，被列为在该平台上的学校重点资助项目。

看着眼前这些科研项目有条不紊的开展，当时参与选型的袁健美欣慰的表示，选择曙光作为合作伙伴没有选错。“选型初期，吸引我们的主要是曙光集群在高性能计算机中的排名情况等硬性条件，而且曙光集群的应用也很广，覆盖了科学计算、生物信息处理、数据分析、信息服务、网络应用等多个领域，其用户也集中了信息产业部、上海超级计算中心、中石油等一大批知名单位。”

打开科研教师应用视野

真正感动袁健美的是，在系统建设中，曙光的服务工程师并没有把平台建设当成单纯的建设阶段，而是把它当成与高校科研人员共同学习的过程。比如，曙光高性能服务器一般都提供了一些简单、实用的安装系统、管理系统和并行应用系统。而针对湘潭大学三个学院共同使用的特点，曙光特别还为其部署了一个交互系统，并不断与各院系协商，制订出了一个非常具体的优先级调度策略，便于各个科研项目的自动管理。

另外，因为湘潭大学一些教师还属于高性能计算的初级用户，以往在这方面经验积累也很有限，因此建设中也会有一些认识误区，特别是在专业软件应用方面。比如有的教授在对外学习中学到进行蛋白质分子动力模拟可以应用gromacs软件，回来后他在自己的科研中也开始应用gromacs。但实际上，他的科研项目应用namd软件可能更合适。看到这些情况，曙光的服务人员很多时候开始尝试从应用上给用户介绍一些应用领域的其他软件，打开科研教师的应用视野。

“高性能信息系统建设与发展是一个循序渐进的过程。对于高校教师与学生而言，无论是知识体系的教学，还是科技应用的普及都需要长期培养和实践摸索。”袁健美特别谦虚的表示。因为，我国高性能计算还处在应用的初级阶段，很多专业的应用软件使用的是一些开源软件。但是，高性能计算要想运用成熟，就需要不断地创新，就需要根据自身科研的需要自己编写一些软件，而不仅仅限于使用别人的软件。但是，目前我国高校里学过并行计算的人才很少。

这也在提醒我国高校，必须让学生在学习计算机的时候了解并行思想、学会怎样使用并行程序和并行语言，并将并行思想和并行软件逐步运用到应用软件里。只有一大批掌握了并行思想的人才成长起来之后，我国高校教师运用高性能计算进行研究的水平才会提高，才可能向生产力转化。

“目前，如何系统化地开展由浅入深、逐步强化的高性能信息系统知识活动；如何最大程度的利用高性能资源；如何面向具体应用项目实现高性能信息发展目标，正在成为湘潭大学正在努力的方向。”