高校教育數字化轉型之超算中心建設路徑研究

張譯之

近幾年，高校對計算資源的需求飛速增長，部分高校的高性能計算資源無法滿足各學科日益增長的高性能計算需求，且存在重復建設、計算資源分散、運維復雜、安全隱患多等問題。本文深入地剖析了部分高校高性能計算資源的現狀及存在的問題，并探討了解決方案與實現路徑，旨在有效配置科技力量和創新資源，高效地為學校教學科研和人才培養做好服務支撐。

一、引言

超級計算機被譽為科技創新的“發動機”。作為新時代的國之重器，超級計算機已廣泛應用于大氣海洋環境、數值風洞、醫學信息、基因組學、藥學、電磁學、天文學等領域，從工業仿真、智能制造到社會治理、疫情防控，對于國家經濟社會高質量發展和高水平科技創新具有重要支撐作用。

超級計算 （也稱超算、高性能計算）是一個計算機集群系統，由多個超級計算機節點組成，以此來解決大規模計算問題。利用高性能計算，高校、科研機構能夠實現海量數據的分析，大幅提高實驗效率，并獲得有關實驗現象背后原理機理的更深層次的刻畫。

近幾年，隨著高校在科研方面的不斷進步，對計算資源的需求飛速增長，校級超算平臺是學校重要科研資源，可滿足各學科領域對于大規模數據處理和大規?？茖W計算的需求。當前，數字化轉型要促進教育高質量發展，以超級計算平臺為代表的新型基礎設施建設是高等教育數字化轉型的重要抓手，在高校探索教育數字化轉型之際，應把握機遇，進一步探索超算平臺的發展路徑。

二、高性能計算現狀及問題

（一）國內現狀

十年來，我國超級計算機事業取得了舉世矚目的成就，實現了高性能計算從“跟跑”到“領跑”的歷史跨越，不斷攀登世界超算之巔。目前，我國已在各地建立起大大小小的國家級和地方級超算中心，構成我國的算力矩陣，推動載人航天、探月探火、深海深地探測、超級計算機、衛星導航、量子信息、核電技術、大飛機制造、生物醫藥等領域取得重大成果，進入創新型國家行列。

（二）高?，F狀

作為教學科研重地，很多高校都建立了校級超算平臺，以提升計算與服務能力。從建設模式來看，大部分高校采用自建方式構建高水平超算中心，部分高校通過與政府、企業合作的方式共建國家級超算中心，實施重大應用項目，培養高性能計算人才與相關戰略性新興產業。從運營模式來看，大部分高校仍處于向校內提供計算服務，幫助用戶學習使用超算的階段；部分頭部高校則已經開始積極探索計算驅動的交叉學科發展模式，推動更多符合我國科研實際情況的自主可控超算軟件的研發。

（三）高校存在的問題

作為教學科研重地，很多高校都采購了大量的高性能計算資源，在深入調研后發現部分高校的高性能計算資源存在以下問題。

分散建設導致資源浪費。盡管很多高校對高性能計算的總投入已經很高，但分散建設無法實現算力的持續疊加。部分資源在課題結束后處于閑置狀態，造成了高性能計算資源“稀缺”與“浪費”并存的尷尬局面。

重復建設導致資金浪費。由于缺乏統籌管理，高性能計算資源存儲的機房環境、空調、不間斷電源、系統和應用軟件等存在重復建設問題，導致嚴重的資金浪費。

獨立建設導致人才浪費?，F有的高性能計算資源均由院、系、實驗室獨立建設，需要投入大量的調研、選型、比價等時間成本，導致大量科研精力被浪費。

三、解決方案及路徑

高性能計算設備更新周期短，如果在五年內使用率不高，就無法收回投資。因此，針對如何充分有效配置高性能計算資源，發揮其核心潛力，提出以下方案。

（一）方案分析

根據調研及文獻分析，有三種方案可嘗試使用：一是整合校內現有資源，二是租用校外資源，三是新建校級超算中心。經部分高校實際驗證，前兩種方案可以解決少量問題，但存在突出的弊端。

整合校內資源，可實施性不強。首先，校內現有高性能設備由于購買時間不同，性能參差不齊，且搬運過程中也可能造成損壞，因此，整合后能真正被利用的不多。其次，強行整合老師們用科研經費購置的計算資源，會打擊其科研積極性。再次，校級超算中心相當于公共交通，部分老師對計算環境有特殊的需求，可允許他們保留原有計算環境，享受科研舒適度和自由度。

完全租用校外資源，不便于科學研究。租用校外資源可以有效解決校內資源不足的問題，但是存在以下問題。首先，對高性能計算資源依賴較高的科研團隊大多數會對計算軟件進行二次開發，部分學科的數據涉密，將軟件和數據存儲在校外，不利于保護科研成果；其次，部分學科計算結果數據量大，下載數據時面臨網絡回傳數據較慢的問題；再次，校外超算中心排隊現象嚴重，且對高性能資源需求較大的學科，完全租用資源的費用較高。

新建超算中心，助力科研水平提升。雙一流高?；旧弦呀⑿＜壋阒行?，且成效明顯，已支撐學校師生發表了多篇突破性高水平文章。其他具備經費條件的高校，應該盡快統一建設這個基礎的科研平臺，促進多學科融合發展。

（二）實現路徑

1.頂層規劃

超算中心管理重大校級平臺，由學校按照“統籌規劃、集中管理、開放共享、有償使用”的原則建設與使用。加強計算資源論證、立項、運行、考核等全過程管理，并從組織機構、基礎環境、平臺建設、運行管理等多方面進行保障，確保超算中心充分發揮效益。

2.超算中心建設

（1）搭建超算公共平臺

校級超算平臺由學校統籌建設資金、統一規劃建設，應基于校內各科研團隊對計算資源的實際需求，以及當前已有的計算與存儲規模做好規劃。通過分步建設方式，最終建立一個多軟/硬件支撐、多運行環境、用戶管理統一、支持多學科應用軟件運行的超算平臺。建設內容主要包括機房物理與動力環境、計算節點、存儲系統、網絡系統、集群管理軟件、常用學科軟件等。如圖1所示。