GPU“虎山”探未来

以上为镉化钪系统(CdSc)、硅的量子点系统(Si-QD)和磷化镓铟(GaInP)材料计算结果可视化图片。通过研究人员研发的相关软件，GPU的强大计算能力正在一步步为材料计算领域的研究提供支持。

不少人认为，GPU(图形处理器)难以在平面波第一原理计算这样复杂的算法中发挥作用，甚至断言GPU不适合此类计算。尽管如此，一支来自中科院超算中心的队伍却铁了心，偏偏要去挑战——

■本报记者 杨琪

“现在，我们的代码已经可以跑模守恒赝势的分子动力学、原子弛豫以及电子结构计算；我们正在研发超软赝势的GPU代码，相应的测试工作也已展开。”中国科学院计算机网络信息中心超级计算中心(以下简称超算中心)的研究人员贾伟乐通过微信，向《中国科学报》记者传来了团队最新的科研进展。

“我们的研发更加游刃有余。”他的话语似乎透露着轻松科研的感觉，其实“苦日子”早已猛烈地席卷了参与研发的每一个人。

因为这一团队之前的工作，是向被判了“不可能”的领域进发——他们要让GPU(图形处理器)在平面波第一原理计算这样复杂的算法中发挥作用。

挑战：超算不休 GPU将当道

今年夏天，“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计算机。

“中国的超级计算正在迎头赶上。”美国劳伦斯伯克利国家实验室材料计算专家汪林望这样评价。

超算发展无止境。未来十年，超级计算机性能将向百亿亿次迈进，GPU(图形处理器)和多核CPU处理器的广泛应用将极大地促进该进程。

作为资深科学家，汪林望同时也发现了中国超算发展的不足，“缺乏在这些大机器上运行的应用软件”。因此，许多大型计算机被分成多个部分，被不同的研究人员使用。

“这有悖于建设超级计算机的初衷。因此，研发大规模并行应用软件极其重要。这样的工作正是超算中心团队正在做的工作。”汪林望说。

这支队伍将目光聚焦在如何让传统的材料计算软件使用GPU进行有效加速。

GPU是一种新型显卡“心脏”，其体系结构与传统CPU不同，导致传统软件设计往往不再适用。特别是“材料计算算法和GPU体系结构的双重复杂性，这一工作很少有人能够突破。”超算中心研究员王龙介绍。

再加上硬件设备水平不断提升，建好的大型高性能计算没有软件“跑”怎么办？“一定要有所储备。”超算中心团队看到的不只是眼前。

启动：三方合作战旗扬起

材料计算软件在半导体、太阳能等材料科学研究领域中被广泛应用。如果材料计算软件使用GPU进行有效加速，攻克难题的团队至少要“懂量子力学用于哈密顿矩阵求解，并行计算、懂数学，还需要懂得GPU的特性并设计算法”。

因此，这是一次物理学、计算机学和数学多学科的碰撞。超算团队的执意，更有赖于来自各方学者的倾力支持，比如汪林望。早些时候，他已研发出CPU平面波第一原理计算软件PEtot。

2011年，汪林望得知复旦大学教授高卫国带领吴悦进行GPU相关的研究工作后，他便与高卫国商量大家一同试一试平面波第一原理。超算中心主任迟学斌一直非常重视科学计算软件的研发，在他的支持下，王龙带领贾伟乐、曹宗雁和付继芸加入针对GPU的研究工作。

没有鲜花也没有盛大的仪式，美国劳伦斯伯克利国家实验室、复旦大学和超算中心的三方合作平静地启动了。

可是，攀登科学高峰的过程，却很难用平静来形容。数不清的险阻隐藏在超算这一虚拟空间中，即便是汪林望或超算团队对于研究成功与否也不敢打保票。

出招：科研就该对自己狠一点

“搞科研，就得对自己狠一点。”这是团队的共识，听起来似乎是调侃，其实这支团队将“狠”劲渗透了科研的点点滴滴。

比如，他们将黑夜当白天用。许多夜晚，他们都在想办法解决难题。GPU代码的调试非常困难，因为许多变量不能够直接打印出来。在CPU代码中需要花几个小时调试出来的错误，在GPU代码中却需要几天时间。

因此，王龙与贾伟乐常常在清晨5点下班。回家休整一下，8点回到办公室继续工作。

贾伟乐还记得有一次自己零点离开实验室，门卫保安稀奇地问：怎么这么早就下班？

大多数时候，王龙累了就在办公室的皮凳子上休息一会，“直到现在，我都忘不了224室皮凳子的气息”。

这样的“黑加白”和“5+2”持续了近4个月的时间，他们面对的难题异常艰涩。

比如其中的关键性问题，即计算体系规模太小，只能用GPU卡进行计算，多个GPU之后，关键的傅里叶计算部分又不适合多GPU计算。如果不攻克这一难题，加速度只能达到5倍。

另外，GPU的计算速度非常快，没有数据结构的总体设计和改变，计算块太小，因此通信也成为瓶颈之一。

“我们坚信，改变软件的总体结构可以有效地利用GPU，推进材料计算的发展。”汪林望说。

对自己“狠”一点，还体现在他们的科研追求：这支团队采用非常严苛的标准来测算加速度。因为，“我们做这件事情是要有实用性、被大家认可的，不是发几篇文章就了事”。

“在当时，该软件将业内最快纪录提高了7倍，效果非常好。”超算中心主任迟学斌说。目前，他们已经将加速提升至20倍以上，同时扩充了新功能。

未来：几分运气更需脚踏实地

经历4个月的磨砺，超算中心团队在至为关键的核心模块研发中发挥了主要作用。2011年4月，他们超算领域顶级大会——国际超级计算大会(SC11)提交论文。

至此，故事依然没有画上句号。

“希望更多的用户能够使用他们的软件，这样GPU的强大的计算能力能够真正为材料计算领域的研究人员所用。”汪林望说。

他认为，商业化对于软件是必要的，这样可以保证软件的正确性和坚固性。同时，这也将对整个材料科学模拟社区作出重要贡献。这也得到了迟学斌和计算机网络信息中心领导的大力支持。

软件的开发是一个庞大的工程，已经作出的成绩和未来持续的探索都离不开专家与团队的支持。

汪林望帮助大家理解算法并给出了必不可少的指导，高卫国等贡献了数学领域的精华；尽管来自超算中心的付继芸是团队中唯一的女生，但是她并不娇气，反而是用女性的细腻和耐性撰写了大量代码；超算中心副研究员曹宗雁更是“神奇”：他用两个小时将超算集群上所有的底层的库与软件安装完毕、进行匹配，而专业公司往往花一天时间安装一个软件。

这支团队继续探索GPU领域，不久的将来，他们将会发布一个可以用于大规模GPU异构集群系统的软件：Ultra-Mat。这一软件将会在半导体材料、计算物理、纳米材料、计算化学等领域广泛使用。

《中国科学报》 (2013-10-15 第8版 平台)