【PConline 资讯】最近闹的沸沸扬扬的首届大学生超级计算机竞赛引起了很多人的关注。从最初的近30所985、211参赛高校，到后来一一角逐，初赛完成的时候，就剩清华大学、武汉大学、山东大学、国防科学技术大学、中国科学技术大学、中山大学等六大名校进入了决赛。
比赛现场
截止到决赛的时候，清华大学、国防科技大学从参赛队伍中脱颖而出，最终获得6月于德国汉堡举办的ISC12国际大学生超算总决赛的两个参赛资格。两所学校代表的是中国高校超算的最高水平来与世界各大强队相PK，可想而知，这两个学校和参赛的学生担负的责任有多大。
首届中国大学生超级计算竞赛暨ISC12国际大学生超级计算机竞赛中国区选拔赛，是由国家科技部指导，国际超级计算机大会组委会(ISC)-国际高性能计算咨询委员会（HPC-AC）与浪潮集团联合主办，清华大学高性能计算研究所、高效能计算与存储技术国家重点实验室共同协办的。
比赛现场
虽然中国在超级计算机系统建设层面可以说是比较有竞争力的大国，像是已经建成了天河一号、神威蓝光千万亿次超级计算机，但是在超算应用的方面，专业人才还是非常的少。所以，在业界的眼中，也不能称之为超算强国。
超算应用的相对落后以及相关人才的缺乏已成为中国超算产业发展的瓶颈。因此这次大赛的宗旨也是希望通过这个大学生超级计算机竞赛建立一个专业、公平的超算应用领域的竞赛平台和交流平台，推动中国超算的应用研究和人才培养。>>
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中国大学生超算竞赛的三个阶段：
第一阶段是高校报名，组织参赛团队；
比赛现场
第二阶段是初赛，根据竞赛的命题要求，各参赛队提交相关书面方案，有评审委员会评选出进入决赛的团队；
初赛由竞赛评审委员会给出统一命题，报名参赛队在规定时间内按照比赛要求独立完成所有工作，提交书面方案，由评审委员会统一评定。参赛队伍需要提交的书面方案包括团队超算技术水平、组织情况和技术方案三个部分，其中技术方案占75%的比重，在这部分中，参赛者需要给出在3000瓦的总功率约束条件下构建超算系统的方案，以及HPL和CPMD两个应用优化方案。
比赛现场
HPL是高性能计算Linpack基准测试，是国际上最主流和成熟的超级计算机浮点性能的评价系统。CPMD则是一种最为常用的分子动力学计算软件，是生物制药、新材料等多个前沿领域不可或缺的应用软件。>>
第三阶段是决赛，进入决赛的团队将在浪潮提供超级计算机组件基础上，在满足竞赛规则要求下，根据自己对应用的优化理解组建各自的超级计算机系统，现场进行相关的应用测试和程序优化以及竞赛呈现，由评审委员会专家根据现场实际运算结果，评选出最终名次。
比赛现场
对于决赛的规则，记者了解到，各参赛队将在3000瓦总功率约束下自行设计超级计算机系统方案，选用浪潮集团提供的硬件组件构建超算，自行选择操作系统、软件工具等，进行HPL和CPMD、CP2K、OPENFOAM、NEMO等应用测试与调优。
规则要求：每个高校只能有一支参赛队，且参赛队伍的6名学生必须是本科生。
值得注意的是，大赛不仅看重最终结果，更看重比赛过程。测试软件环境详述、测试方法详述、性能优化方法与效果预测、测试问题预估与解决方案、测试性能预估及分析等环节都会体现在最终成绩评定中。
从规则、选题、成绩构成等都可以看出，大赛具有明显的应用导向，是对参赛队伍超级计算机应用能力的全面考察。>>
在经过一系列的角逐之后，六强已经产生，这六所高校的各自优势都有哪些呢，我们来一一比对下：
清华大学
清华大学计算机系成立于1958年，现已发展成为我国计算机学科领域内综合实力强，影响力大的计算机系，在中国计算机事业的发展乃至国民经济建设中发挥着重要的作用。自1998年1月起，清华大学计算机系师生在国际上发表高水平SCI论文共1637篇，在全球排名第11位（前十位均为美国著名企业及高校：IBM、麻省理工、AT&T、斯坦福等）。
比赛现场
目前清华大学与浪潮集团共建有超百万亿次的超级计算机于2011年投入运行，这台超级计算机已经承担起了联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告（IPCC－AR5）气候模拟、预测、评估试验的计算任务。通过中国科学院大气物理研究所“大气科学和地球流体力学数值模拟”国家重点实验室（IAP/LASG）气候系统模式研发团队与清华大学地球系统科学中心（CESS）高性能计算团队的共同努力，利用IAP/LASG自主发展的气候系统模式FGOALS，基本完成了“政府间气候变化专门委员会”第五次评估报告（IPCCAR5）要求的核心数值实验，即第五次耦合模式比较计划协同数值实验（CMIP5）。目前已经向“国际气候模式诊断和对比计划委员会”（PCMDI）正式提交模拟实验结果。
中国科学技术大学
中国科学技术大学在超级计算方面的研究和应用几乎涵盖了包括计算机科学在内的科学与工程的各个学科。其中，很多研究方向(例如，计算物理、计算化学、计算生物学、天体空间模拟、气象预报、空气动力学、石油勘探等等)都涉及到高性能计算，甚至离不开高性能计算。
中国科学技术大学
在典型应用领域的并行软件研制与开发方面，主要针对国民经济建设和国防安全领域的一些典型应用研制与开发并行软件，主要包括淮河流域的汛期防洪调度、枯水期防污调度和水资源优化配置等资源环境方面的应用，灾害性气象预报、城市社会应急系统和火灾现场的模拟在线与分析等社会公益方面的应用，信息攻防和雷达成像分析等国防安全方面的应用，以及基因序列分析和蛋白质功能位点预测等生物信息学方面的应用。>>
国防科学技术大学
1983年12月22日，中国第一台每秒钟运算达1亿次以上的计算机——“银河”在国防科学技术大学研制成功。“银河”巨型计算机系统是我国目前运算速度最快、存贮容量最大、功能最强的电子计算机。它是石油、地质勘探、中长期数值预报、卫星图像处理、计算大型科研题目和国防建设的重要手段，对加快中国现代化建设有很重要的作用。
国防科学技术大学
目前，只有少数几个国家能够研制巨型电子计算机。“银河”计算机的研制成功，提前两年实现了全国科学大会提出的到1985年“我国超高速巨型计算机将投入使用”的目标，使我国跨进了世界研制巨型机国家的行列，标志着中国计算机技术发展到了一个新阶段。
比赛现场
2009年国防科学技术大学研制成功“天河一号”千万亿次计算机，使我国成为继美国后第二个可自主研制千万亿次超级计算机的国家。2010年11月14日，国际TOP500组织公布了最新全球超级计算机前500强排行榜，天河一号的二期系统“天河-1A”成为全球运算速度最快的超级计算机。>>
武汉大学
武汉大学拥有华中地区高校领先的高性能计算系统，全校有多个学院的教师和在校学生注册并使用该系统，包括：电子信息学院、测绘学院、电气工程学院、水利水电学院、化学与分子科学学院、数学与统计学院、生命科学学院、土木建筑工程学院、资源与环境科学学院、计算机学院以及物理科学与技术学院，其中共有8个兴趣小组。
武汉大学
为准备参加本次大赛，计算机学院、网络所、教学办公室等相关负责老师就本次大赛的推广宣传展开了一系列活动，2月10日学院便开始通过邮件，学院首页信息等媒体以及各年级学生会等组织在学生群体中宣传，几日内便有10多名学生积极报名参加，经过老师的选择和面试，最终定下参赛名单。学院为参赛队员提供了极大的设备及人力支持，营造了良好的竞赛环境。小组精诚合作，团结一致，每天进行大量的交流和讨论。互相学习，取长补短，共同进步。带队老师每天和队员一起探讨钻研，学习。预赛阶段队伍克服了许多困难，完成了大量的测试，配置任务。
中山大学
中山大学拥有广州高校领先的超算平台，对于高性能计算在学科建设及科研创新中的应用非常重视。同时中山大学认为，人才的培养是超算发展的关键，并通过课程教育、专业培训和兴趣小组等多种形式，进行相关专业人才培育。
中山大学
目前学校高性能计算服务平台上有来自16个学院的多个科研团队，其中有不少对高性能计算感兴趣的积极分子和有各种学科背景的兴趣小组，高性能计算中心与这些积极分子和兴趣小组保持了良好的关系，通过培训、答疑、交流讨论等形式促进他们更好的开展高性能计算本科研究上的应用。中山大学省计算科学重点实验室，针对研究生开设有并行计算方向的研究讨论班。>>
山东大学
山东大学在超级计算机的应用中有着丰富的经验，其生命学院、化学院、药学院、物理学院、能动学院和材料学院都有超算实际应用，其中引人瞩目的是生物技术国家重点实验室的973项目（2011CB707401）纤维素酶高效降解结晶纤维素的催化机理研究，极大地促进CBHI持续高效降解结晶纤维素的分子动态过程的研究。纤维素外切酶CBHI持续催化降解结晶纤维素的生物过程在毫秒级，这意味着常规MD模拟只能对酶分子的动态过程进行有限的收敛模拟分析。为此，山东大学高性能计算团队使用了增强取样的副本交换分子动力学模拟(REMD)方法。
山东大学
REMD能够加速计算，减少计算时间，但是会使用成倍于常规分子动力学模拟的计算资源。在山东大学高性能计算中心进行的纤维素酶的REMD模拟，模拟包含80个副本，每个副本使用12核，共使用960核，总模拟时间尺度达到微秒级。此模拟将极大地促进CBHI持续高效降解结晶纤维素的分子动态过程的研究以及降解过程充分必要条件的阐明。
在这六所大学PK正激烈的时候，德国的卡尔斯鲁厄大学，美国的科罗拉多大学和纽约州立大学石溪分校这三所世界级名校已取得ISC12国际大学生超算德国汉堡总决赛入场券，三个月后他们将成为中国大学生超算队必须直面的强大竞争对手。
辛苦的参赛同学楼梯上就餐
随着首届中国大学生超级计算机竞赛中至关重要的两个应用类测试CPMD和CP2K结束，国防科技大学和东道主清华大学暂时分别取得上述两个项目的第一名。>>
CPMD
CPMD是由IBM公司和马克斯-普朗克研究中心共同开发的一款用于对分子、原子和材料等研究的大型从头算模拟软件。对于非赢利的学术机构是可以免费提供源代码的，而对于商业组织则需要像IBM公司申请许可。它基于密度泛函理论(DFT)，并通过平面波基矢和赝势来实现。采用消息传递(MPI)、共享内存(OpenMP)以及混合编程(MPI/OpenMP)的方法来实现并行化，可以在不同结构的计算机平台上运行。
CPMD
CPMD使用Car-Parrinello分子动力学方法对系统能量最小化，相对于其它的能量极小化方法，如共轭梯度法(CG)、最陡下降法、Block Davison方法等，该方法具有更高的计算速度和效率，因此可以用来计算模拟相对比较复杂的分子或材料体系。CPMD的交换关联势可以使用局域密度近似方法(LDA)、局域自旋密度(LSD)、广义梯度近似(GGA)等。基矢组主要采用赝势+平面波的方法，此外也可以使用高斯型轨道基矢(GTO)、STO、NAO以及PAO等等。
CPMD可以用来计算孤立体系和周期性边界(晶体等)体系的物理、化学性质；可以对体系做几何优化并寻找化学反应过渡态；还可以计算体系的激发态性质。因此，CPMD是一款功能强大的从头算科学模拟软件，广泛使用在材料物理、化学、大分子生物学的研究上。例如，可以用来研究二氧化碳分子在高温高压下的分解过程(环境)、硅基半导体材料的光这特性(硅基光电子器件)等等，对于人类的生产、生活密切相关的研究领域意义重大。
CP2K
CP2K也是一款著名的从头算分子动力学软件。和CPMD很像，它是由马克斯-普朗克研究中心早在2000年发起的一项用于固体物理研究的项目，全部代码使用Fortran 95写成。现在它已转由苏黎世ETH和苏黎世大学维护，成为一个开源的项目，遵从GPL协议，用户可以从其官方网站下载到源代码。
CP2K
CP2K也是基于密度泛函理论(DFT)，但与CPMD不同的是，它不是单独采用平面波基矢，而是使用混合的高斯平面波近似(GPW)以及多粒子势，可以计算更大的体系。CP2K采用多种交换关联势，包括Slater、VWN、Pade、Becke88、Perdew86、PBE等等。主要用来研究计算固态、液体、分子和生物体系的性质，如：量子点的结构计算、材料表面结构驰豫、相变过程(例如冰的融解、液态水的模拟)等等，所涉及的研究领域均是与人类的生产、生活密切相关的。
CP2K也具有相对不错的扩展性，是相关研究人员的得力助手。
CP2K和CPMD是在高新材料领域广泛应用的两款软件，用于对分子、原子的运动状态模拟，能够模拟发现物质在不同条件下的性质，是研制新材料以及发现已有材料新用途的主要手段。在两款软件的支持下，已经有丰富的研究成果问世，例如，中科院上海药物研究所采用CPMD方案模拟青蒿素的抗疟反应过程，对进一步改造青蒿素，提供了依据。目前，大部分超级计算机中心都提供对这一软件的支持。
“首届中国大学生超级计算机竞赛”在赛制、赛程安排上，重点在于考察选手的超算应用和动手能力。因而，参赛队伍要在两个算例中取得更好的测试成绩，不仅需要对超算有全面而深刻的了解，具有丰富的实用经验，也需要对材料学、分子动力学等学科有广泛的涉猎。在参赛的队员当中，不仅有来自计算机学院的学生，也有来自材料学院等应用学科的学生。整个大赛，需要不同学科的队员紧密配合，共同做好算例的优化。
紧接着首届中国大学生超级计算机大赛最后两个测试项目－－nemo和openform的成绩公布，清华大学、中科大分列这两个单项的第一名，清华大学、国防科技大学、中国科技大学分居大赛总成绩的前三位。>>
NEMO
NEMO，欧洲海洋建模软件，主要进行海洋学动力学(研究海洋力场及其引起的各种机械运动。比如研究海-气相互作用所引起的海洋气象和物质迁移，研究海底扩张、火山爆发、壳层塌陷或断裂等动力学效应)，热动力学，海冰动力学(冰动力学主要研究海冰在海洋、大气的动力强迫下的运动变化、动量传输及其断裂、重叠和堆积等动力学特征)，生物地理化学等建模；NEMO灵活性很强，它还可以进行海洋与大气，陆地表面，植被等相互作用研究，以及气候预报等。
NEMO
NEMO是由Fortran90编写，基于OPA(海洋动力学模拟软件)软件开发，支持MPI并行，输出文件等通过NETCDF进行处理。
NEMO软件组成：蓝色海洋模拟(海洋动力学：NEMO-OPA)，白色海洋(冰海研究：NEMO-LIM)，绿色海洋(生物地球化学：NEMP-TOP)，自适应网格细化(AGRIF)。
OPENFOAM
OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) 软件可以模拟复杂流体流动、化学反应、湍流流动、换热分析等现象，还可以进行结构动力学分析、电磁场分析等。
OpenFOAM
OpenFOAM软件的核心技术为一系列的高效C++模块数据包，利用这些数据包可以构造出一系列有效的求解器、辅助工具和库文件，用来模拟特定的工程机械问题和进行前后处理，包括数据处理、图形显示、网格处理、物理模型和求解器接口等。
OpenFOAM具体功能分述如下：
1、求解方面
用户可以进行基本的CFD分析，可压与不可压缩流动分析、多相流分析、燃烧分析、热分析以及电磁场和结构动力学耦合分析。
2、前处理方面
软件拥有自己的JAVA/C++图形界面——case管理器FoamX，可以对case进行管理，对模型数据进行操作、设置边界条件和求解设置等内容，此外还有其他一些直接对数据进行操作的辅助工具，如setField、MapField等工具。
3、 后处理方面
软件自带有paraFoam模块，可以对OpenFOAM软件的数据直接进行读取。paraFoam基于开源可视化软件ParaView开发，可以进行一些常用的后处理操作，如网格显示、云图显示、等值面显示、曲线绘制等等。此外，软件包含有与第三方软件的接口工具，可以通过专业的后处理软件进行数据处理，如foamToEnsight、foamToFieldview、foamToGMV、smapToFoam等。Ensight软件也可以直接读取OpenFOAM软件的计算结果。
4、 网格方面
软件支持各种各样的多面体非结构化网格，包括四面体、立面体、棱柱网格、Polehedral等。网格生成的时候即可以在自带的FoamX前处理器里进行简单操作(blockMesh)，也可以接受其他网格处理软件生成的网格，包含有多种网格转换工具如cfxToFoam、fluentMeshToFluent、mshToFoam、ansysToFoam等。对于网格模型数据，可以进行网格编辑操作和网格质量检查，如网格移动、旋转、细化、重编号、网格分割、动网格等。
5、 物理模型
软件包含有先进的物理模型，用来模拟可压与不可压缩流体、牛顿与非牛顿流体。湍流模型方面既有常规的层流、S-A模型，还包括各种各样的k-e模型，还包括有丰富的大涡模拟模拟，如各种Smagorinsky模型、scale similarity模型、spectral eddy viscosity模型等等。>>
其实比赛项目代表了当前超级计算机应用的两大趋势——与实际生产广泛结合以推动社会经济发展，与前沿学科交叉以推动基础科技创新。
NEMO是海洋模拟软件，可以用来模拟研究洋流、海浪、海洋生物、海洋冰川以及进行台风等极端灾害天气的预报，不仅对于发展海洋经济、保证海洋生产安全有着重要意义，也是目前发展海洋科学不可缺少的研究手段。
Openfoam是一款流体力学领域的应用软件，在飞行器、高速舰船、汽车等装备科研生产领域有着广泛的应用，能够有效的缩短试验时间，降低试验成本。例如，核电的核心设备之一的反应堆核主泵就是在openfoam的支持下设计的。
相比CP2K和CPMD算例，后面的比赛需要参赛队伍在掌握超级计算机知识以外，对流体力学、海洋动力学、热力学等多个前沿学科有所研究，对于多学科交叉应用能力的考核更为苛刻。此前，多位超算专家强调，超级计算机应用的发展需要大量的多学科交叉人才，此次大赛将在推动复合型超算人才的培养，消除超算应用短板层面起到积极作用。
在决赛现场，竞赛评审委员会将给出具体的算例到各参赛队，以要求时间内HPL和应用软件运行性能最优为目标，鼓励各参赛队从多层次和角度进行优化，以达到最佳性能。因此决赛考验的将是参赛队伍在超级计算机应用中分析问题、解决问题、团队协作、实践操作、临场应变等综合能力。如HPL是高性能计算Linpack基准测试，是国际上最主流和成熟的超级计算机浮点性能的评价系统，其测试结果是TOP500排名的依据。
HPL
HPL是针对现代并行计算机提出的测试方式，Linpack是国际上最流行的用于测试高性能计算机系统浮点性能的benchmark。通过对高性能计算机采用高斯消元法求解一元N次稠密线性代数方程组的测试，评价高性能计算机的浮点性能。
Linpack
用户在不修改任意测试程序的基础上，可以调节问题规模大小(矩阵大小)、使用CPU数目、使用各种优化方法等等来执行该测试程序，以获取最佳的性能。HPL采用高斯消元法求解线性方程组。求解问题规模为N时，浮点运算次数为(2/3 * N^3－2*N^2)。因此，只要给出问题规模N，测得系统计算时间T，峰值=计算量(2/3 * N^3－2*N^2)/计算时间T，测试结果以浮点运算每秒(Flops)给出，衡量计算机性能的一个重要指标就是计算峰值或者浮点计算峰值。HPL测试结果是TOP500排名的重要依据。
在比赛中，参赛队正确安装和编译HPL包之后，通过一定的配置修改，开始运行HPL，HPL的运行方式和MPI密切相关，不同的MPI在运行方面有一定的差别。运行结束输出结果后，参赛队需要针对实际测试结果进行分析，不断修改配置，优化测试，以取得满意的结果。
它用高斯消元法求解一元N次稠密线性代数方程组的测试，进而评价超级计算机的浮点性能，可在不修改测试程序源代码的基础上，可以调节问题规模大小N(矩阵大小)、使用到的CPU数目、使用各种优化方法等来编译和执行该测试程序，以获取最佳的性能。而CPMD是最为常用的分子动力学计算软件，是生物制药、新材料等多个前沿领域不可或缺的应用软件，其利用了赝势、平面波基矢和密度泛函理论（DFT）对原子（分子）间作用力进行计算。
此次比赛采用的HPL、OPENFORM、CPMD、CP2K、NEMO等5个应用算例，都是超算基准评测领域、科研应用领域、生产应用领域的典型软件，十分具有代表性。比赛过程中，参赛队伍需要自行搭建总功率不高于3千瓦的超级计算机，并在该平台上反复优化上述5个算例，累计成绩最高者胜出。
德国汉堡两强席位的争夺战已经落下帷幕，相对于中国本土的竞争，相信世界化的比赛则是更加体现真实实力的时候。清华大学、国防科技大学需要表现的是中国高校超算的最高水平，如果如何，我们拭目以待六月的“超算世界杯”！
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