隨著人工智能的迅速興起，AI與超級(jí)計(jì)算的結(jié)合已成為不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)，復(fù)合型人才的需求便應(yīng)運(yùn)而生——超算競(jìng)賽，便是新型人才培養(yǎng)的方式之一。而就在剛剛落幕的ASC19 中，便將HPC與AI做了完美結(jié)合。

超算和人工智能不再是平行線。

自2013年以來，中國(guó)超算一直在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)排名中位居第一，直到去年6月美國(guó)發(fā)布了“Summit”，重新回到了超算領(lǐng)域的頂峰。這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)是由IBM在英偉達(dá)幫助下開發(fā)，它的峰值計(jì)算能力可以達(dá)到每秒 20 億億次。

值得一提的是，Summit是第一臺(tái)既支持傳統(tǒng)計(jì)算，也支持運(yùn)行人工智能應(yīng)用程序的超級(jí)計(jì)算機(jī)，比如機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)行都可以在其上實(shí)現(xiàn)。

據(jù)相關(guān)調(diào)研報(bào)告預(yù)測(cè)，到2020年，全球AI市場(chǎng)規(guī)模將有望達(dá)到1190億元，預(yù)計(jì)年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)19.7%。而HPC(高性能計(jì)算機(jī)，也常被簡(jiǎn)稱為超算)的發(fā)展的水平，則代表著人類利用工具、不斷拓展認(rèn)知邊界的極限。

當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的粒子碰撞之后，可能引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而釋放出巨額能量。當(dāng)人工智能和超算結(jié)合在一起時(shí)，一款款冷冰冰的超級(jí)計(jì)算機(jī)，將擁有了像人一樣的自學(xué)和思考能力，而且回過頭來，還能秒殺人類。

很可能，在不遠(yuǎn)的將來，人類在超級(jí)計(jì)算+人工智能面前，就可能像螞蟻面對(duì)人類一樣無力和脆弱。

終結(jié)者，即將到來！

HPC和AI將成為智能時(shí)代中的最強(qiáng)伴侶

未來，我們將進(jìn)入一個(gè)人工智能研究及應(yīng)用創(chuàng)新集中爆發(fā)的時(shí)代，人工智能只有在強(qiáng)大計(jì)算力的支持下，通過和成熟的算法、大數(shù)據(jù)相結(jié)合，才能真正做到改變世界。

算力、算法和大數(shù)據(jù)的進(jìn)步，是AI發(fā)展的三大基礎(chǔ)。AphlaGo之所以接連戰(zhàn)勝人類頂尖圍棋選手，一方面得益于蒙特卡洛算法的突破，但AI服務(wù)器性能的提升、數(shù)以萬計(jì)的棋手對(duì)弈大數(shù)據(jù)，也是不可或缺的要素。

事實(shí)證明，算力、算法和大數(shù)據(jù)，人工智能這三大要素者之間是相互依存、相互制約的關(guān)系。如果算力不足，那么有再多的數(shù)據(jù)也無法進(jìn)行有效地驅(qū)動(dòng)和利用；如果算法停滯不前，那么在當(dāng)面對(duì)多數(shù)據(jù)層級(jí)時(shí)，現(xiàn)有算力就會(huì)力不從心；如果沒有足夠龐大和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，那么就像一部有絕佳性能的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的超級(jí)跑車，但卻沒有燃油一樣，AI真正的威力也無從發(fā)揮。

目前，大量應(yīng)用在算力上遇到了瓶頸，讓人類在不斷地探索HPC性能極限。在摩爾定律即將失效的今天，HPC在追求性能的同時(shí)也需要應(yīng)對(duì)不斷提升的功耗挑戰(zhàn)，在功耗優(yōu)化上，AI就可以大展身手。

HPC超強(qiáng)的算力，可以讓AI插上算力提升的翅膀，而AI也會(huì)反過來幫助HPC實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的資源分配和能源管理，所以，在智能時(shí)代，HPC和AI成為了一對(duì)能互補(bǔ)和相互助力的最強(qiáng)伴侶。

但實(shí)際上，AI和HPC是兩個(gè)既有一定交叉，但又保持著很強(qiáng)獨(dú)立性的學(xué)科，在現(xiàn)實(shí)中，HPC和AI的發(fā)展，各自都存在著一些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，單獨(dú)解決起來都很困難，更何況要讓HPC和AI能協(xié)同創(chuàng)新。

目前人工智能在機(jī)器學(xué)習(xí)方面實(shí)現(xiàn)了巨大的突破，但人工智能要想在應(yīng)用層面在做突破，將面臨三大挑戰(zhàn)：

第一，是數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。大量的數(shù)據(jù)，既有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，又有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，所以如何打通數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)的壁壘，讓大數(shù)據(jù)能被有效利用；

第二，是人才的挑戰(zhàn)。人工智能是一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域，有很多大學(xué)剛剛開始設(shè)立這個(gè)學(xué)科，目前人工智能方面的人才還非常緊缺，人才的短缺是第二個(gè)障礙；

第三，是資源的挑戰(zhàn)。存儲(chǔ)、計(jì)算等硬件需要各種各樣的架構(gòu)，執(zhí)行起來非常復(fù)雜。

而在超算方面，“應(yīng)用難”是當(dāng)前發(fā)展的最大障礙，主要四大難點(diǎn)：

是問題程序化難。科研人員難以將專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化成超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語言。

第二，是數(shù)據(jù)快捷傳輸難。對(duì)于各個(gè)學(xué)科來說，需要超算分析和處理的應(yīng)用模型都是很大的量級(jí)，這也意味著如果應(yīng)用人員通過網(wǎng)絡(luò)上傳到超算中心的話，需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。

第三，是全程自動(dòng)自行處理難。超算數(shù)據(jù)自行處理能力差。由于平臺(tái)的特殊性和應(yīng)用的針對(duì)性，僅憑用戶個(gè)人很難對(duì)所有的程序進(jìn)行有效的監(jiān)管，在出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候也很難第一時(shí)間獲得報(bào)警。

第四，是數(shù)據(jù)應(yīng)用難。超算數(shù)據(jù)應(yīng)用水平低。超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的應(yīng)用是超算應(yīng)用的終極目標(biāo)，項(xiàng)目結(jié)束后需要提供對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)告，對(duì)項(xiàng)目的結(jié)果進(jìn)行分析，這是用戶非常關(guān)心的事情。如果依靠人力，依然是非常漫長(zhǎng)而繁瑣的工作。

若是能夠成功解決上述方面的問題，HPC+AI組成的所謂“超級(jí)人工智能”必將顛覆人類社會(huì)！

HPC+AI，將是科技競(jìng)備賽中的制勝點(diǎn)

超級(jí)計(jì)算是世界高端信息領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是整個(gè)高科技的重要支柱之一，也是體現(xiàn)我國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，具有基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和標(biāo)志性，是“國(guó)之重器”，其分量堪比“兩彈一星”。

超算意義重大，它不僅具有非常重要的社會(huì)需求，而且無可替代，更無法依賴國(guó)際市場(chǎng)，必須依靠我們自己來發(fā)展。從這個(gè)意義上說，無論怎樣重視都不過分。

而未來屬于年輕人，因此，在超算領(lǐng)域?qū)δ贻p一代的培養(yǎng)至關(guān)重要。超算競(jìng)賽，便是方式之一。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)和新應(yīng)用的快速發(fā)展，超算的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍還將進(jìn)一步的拓展。對(duì)復(fù)合型人才的需求也就逐步增加。

少年強(qiáng)，則國(guó)強(qiáng)。大學(xué)階段既是增長(zhǎng)知識(shí)的學(xué)習(xí)期，也是培養(yǎng)創(chuàng)新精神和工程能力的起步期。

ASC競(jìng)賽通過吸引世界各國(guó)大學(xué)生廣泛參與，結(jié)合國(guó)際大科學(xué)問題和重大應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置賽題，并且引入世界頂級(jí)的超算系統(tǒng)作為競(jìng)賽平臺(tái)。為廣大的參賽選手搭建了一個(gè)開拓視野，交流技術(shù)，鍛煉能力，增進(jìn)友誼的大舞臺(tái)。它將會(huì)對(duì)培養(yǎng)高水平復(fù)合型的超算人才發(fā)揮重要的作用。

ASC競(jìng)賽發(fā)起人、中國(guó)工程院院士、浪潮集團(tuán)首席科學(xué)家王恩東認(rèn)為：

ASC一直致力于構(gòu)建國(guó)際青年人才交流合作平臺(tái)，引導(dǎo)參賽學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力和團(tuán)隊(duì)精神。

通過設(shè)置國(guó)際大科學(xué)工程和人工智能等前沿技術(shù)賽題，讓年輕學(xué)子們親身感受關(guān)乎人類福祉和文明進(jìn)步的全球重大挑戰(zhàn)，這將有助于培養(yǎng)具有國(guó)際視野、前沿技術(shù)思維的復(fù)合型超算及人工智能人才。

而就在剛剛落幕的ASC19，我們從賽題設(shè)置中也看到了HPC與AI結(jié)合的趨勢(shì)。

此次決賽，要求參賽大學(xué)生隊(duì)伍在3000瓦功耗約束下自行設(shè)計(jì)超算系統(tǒng)，包括：

運(yùn)行優(yōu)化國(guó)際通行基準(zhǔn)測(cè)試

人工智能人臉超分辨率重建

地球系統(tǒng)模式CESM

基因測(cè)序組裝軟件wtdbg

神秘應(yīng)用聲子計(jì)算軟件ShengBTE，以及其它前沿科學(xué)與工程應(yīng)用。

其實(shí)近年來，ASC競(jìng)賽中人工智能賽題一直是備受關(guān)注。ASC19 要求各參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)圖像超分辨率算法(Super-Resolution，簡(jiǎn)稱SR)并訓(xùn)練相應(yīng)的AI模型，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將低分辨率圖像還原成高分辨率圖像，同時(shí)在相似度上符合標(biāo)準(zhǔn)。圖像超分辨率SR技術(shù)是幾十年來廣受關(guān)注的一項(xiàng)視覺計(jì)算技術(shù)，其目標(biāo)是在低分辨率圖像恢復(fù)或重建為高分辨率圖像。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)特別是生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)GAN被引入到SR研究中，這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星和航天圖像分析、醫(yī)療圖像處理、壓縮圖像/視頻增強(qiáng)及其它應(yīng)用領(lǐng)域。

對(duì)于參加ASC19 競(jìng)賽的參賽隊(duì)員來說，人工智能應(yīng)用圖像超分辨率SR賽題的挑戰(zhàn)在于，這些本科專業(yè)多為計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)等的隊(duì)員們需要在兩三個(gè)月的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)大量SR、深度學(xué)習(xí)相關(guān)的論文，設(shè)計(jì)出AI算法并在超算系統(tǒng)上完成模型訓(xùn)練和不斷的算法優(yōu)化。

同時(shí)，想要達(dá)到競(jìng)賽要求并取得更好的成績(jī)，隊(duì)員們?cè)谠O(shè)計(jì)模型時(shí)還需要充分考慮畸變參數(shù)和感知參數(shù)之間的平衡。2018年一項(xiàng)發(fā)表于CVPR的研究成果表明，SR技術(shù)存在一個(gè)有趣的“悖論”，即還原或重建的高分辨率圖像與原圖相似度越高，則肉眼觀察清晰度越差；反之，若肉眼觀察清晰度越好，則圖像的失真度越高。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于畸變(Distortion)參數(shù)和感知(Perception)參數(shù)之間側(cè)重點(diǎn)選擇的不同。

中國(guó)工程院院士丁文華表示，ASC競(jìng)賽設(shè)置這樣的賽題，就是希望隊(duì)員通過這道賽題打好深度學(xué)習(xí)、模型訓(xùn)練與優(yōu)化的基礎(chǔ)，促進(jìn)SR技術(shù)在更多的場(chǎng)景應(yīng)用。

SR賽題支持單位代表、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員程健表示，人工智能的發(fā)展帶來計(jì)算需求激增，訓(xùn)練一個(gè)圖像分類模型需要千億億次浮點(diǎn)運(yùn)算，快速、大量做圖像分辨率所需要的計(jì)算量更大。希望大學(xué)生們能更好地將超算與人工智能結(jié)合，為SR技術(shù)應(yīng)用加速提供新思路。

可見，HPC+AI已經(jīng)成為從技術(shù)、人才培養(yǎng)等多個(gè)方面成為重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。二者的碰撞必將引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，釋放巨額能量；上升到戰(zhàn)略角度，也必將成為科技竟備賽中的制勝點(diǎn)！

ASC往屆精彩回顧：打開人工智能比拼新視角

ASC世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽是由中國(guó)發(fā)起的世界最大規(guī)模的大學(xué)生超算競(jìng)賽，與美國(guó)SC、德國(guó)ISC并稱全球三大超算競(jìng)賽。

ASC Student Supercomputer Challenge發(fā)韌于2012年，經(jīng)過7年發(fā)展，經(jīng)歷了從中國(guó)到亞洲，再從亞洲到世界的規(guī)模升級(jí)，影響力不斷攀升。迄今為止，ASC 競(jìng)賽已吸引到全球超過7000 名年輕人才參與，參賽隊(duì)伍總數(shù)超過1400支。

而對(duì)于HPC+AI相關(guān)的賽題，不僅僅是在ASC 19中所有涉及，早在2016年開始，便在賽題中引入了與AI相關(guān)的超算賽題：打開了人工智能比拼的新視角。

而引入人工智能AI賽題，意在激勵(lì)參賽隊(duì)員充分發(fā)揮超算計(jì)算力挑戰(zhàn)優(yōu)化領(lǐng)先AI應(yīng)用，至今已得到科大訊飛、百度、微軟等著名人工智能企業(yè)的大力支持與積極參與。

ASC16人工智能賽題為來自科大訊飛提供的智能語音DNN應(yīng)用。

這次競(jìng)賽中ASC16組委會(huì)則要求參賽隊(duì)進(jìn)行DNN的MIC眾核加速技術(shù)的移植開發(fā)，無論對(duì)參賽隊(duì)還是深度學(xué)習(xí)使用方，都是一次“春江水暖鴨先知”的全新嘗試?？倹Q賽中，華中科技大學(xué)代表隊(duì)設(shè)計(jì)了非常出色的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案，在天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)高度優(yōu)化，對(duì)涉及英文、中文普通話、四川方言三個(gè)語種共約60萬條語音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度訓(xùn)練模型，并將計(jì)算性能最高提升108倍。

ASC17人工智能賽題為來自百度提供的交通預(yù)測(cè)應(yīng)用。

預(yù)賽階段給出某城市前50天實(shí)際采集的交通狀況的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，要求參賽隊(duì)預(yù)測(cè)出第51天的交通狀況。在總決賽階段，賽題難度進(jìn)一步升級(jí)，要求各隊(duì)伍在3000瓦功耗下采用組委會(huì)提供的超算服務(wù)器搭建系統(tǒng)集群，利用百度PaddlePaddle框架開發(fā)深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，預(yù)測(cè)多達(dá)300+道路在某規(guī)定時(shí)間的早高峰路況。

北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)以及香港浸會(huì)大學(xué)等多隊(duì)在這道賽題中針對(duì)性給出了出色的解決方案。

ASC18人工智能賽題為來自微軟提供的自然語言閱讀理解中的搜索提問回答預(yù)測(cè)(Answer Prediction for Search Query)。

參賽隊(duì)需要基于來自于搜索引擎如Bing或語音助手如Cortana的真實(shí)提問所構(gòu)建的巨大數(shù)據(jù)集，研究創(chuàng)造自己的回答預(yù)測(cè)的AI方法和模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)提問的準(zhǔn)確回答，讓人工智能向解決好認(rèn)知挑戰(zhàn)更進(jìn)一步。

而ASC19人工智能賽題是圖像超分辨率SR。

SR是指由低分辨率圖像重構(gòu)高分辨率圖像，在衛(wèi)星和航空成像、醫(yī)學(xué)圖像處理、人臉圖像分析、文本圖像分析、標(biāo)識(shí)和數(shù)字車牌讀取、生物特征識(shí)別等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，近二十年來吸引了眾多學(xué)者研究。

決賽賽題要求隊(duì)伍將遠(yuǎn)低于人臉識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)的低分辨率人臉圖像重建為高分辨人臉圖像，以達(dá)到準(zhǔn)確人臉識(shí)別的要求。

Jack Dongarra 教授

杰克·唐加拉（Jack Dongarra）對(duì)ASC競(jìng)賽的AI應(yīng)用挑戰(zhàn)表示肯定，他認(rèn)為大數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算的相互融合會(huì)推動(dòng)人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。人工智能技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用其實(shí)已經(jīng)有很多，比如說自動(dòng)駕駛汽車，“這在20年前是不可想象的，現(xiàn)在已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)了，在我有生之年會(huì)看到很多過去不可想象的人工智能實(shí)現(xiàn)。”