
做計算機學科的國際領跑者
——清華大學11次獲國際性大學生超算競賽冠軍的背后
當?shù)貢r間11月15日下午,2018國際大學生超級計算機競賽在美國達拉斯舉行頒獎,來自中國清華大學的6名本科生與指導老師一起登上冠軍領獎臺。(清華大學提供)
■在習近平新時代中國特色社會主義思想指引下——新時代新作為新篇章
當?shù)貢r間11月15日下午,美國得克薩斯州達拉斯市。
2018國際大學生超級計算機競賽頒獎現(xiàn)場,當組委會主席約翰·卡澤宣布,來自中國的清華大學超算團隊奪冠時,團隊成員們——來自清華不同年級的6名本科生激動歡呼,48小時,清華贏了。
至此,清華大學包攬了今年世界三大超算競賽冠軍,實現(xiàn)了繼2015年后又一次“大滿貫”。清華超算團隊在三大國際性大學生超算競賽中累計獲11項冠軍。
今年10月底,在《美國新聞與世界報道》(US News)發(fā)布的2019世界大學計算機學科排名中,清華大學成功蟬聯(lián),再居首位。
兩奪高性能計算研究領域國際最高獎戈登·貝爾獎,打破該獎項設置29年來無國人獲獎的空白;上世紀80年代起布局人工智能研究,研究成果大放異彩;人才培養(yǎng)抓主干課程、重基礎、強實踐;人事制度改革將教師分系列管理,激活動力……近日,記者采訪了清華大學計算機系,探求該校11次獲國際性大學生超算競賽冠軍背后的“獨門秘籍”。
找準方向 重回領跑席
成立60年,清華計算機系戰(zhàn)果輝煌:晶體管、電子管、集成電路……這些課本當中常見的語匯都曾是該系叱咤風云、笑傲江湖的“絕學”。過去近10年,清華計算機學科更是取得了質的飛躍。
但一度,學科的發(fā)展也陷入迷茫,甚至被外人評價“除了計算機不搞,啥都搞”。
2010年,清華大學組織對計算機學科開展首次國際評估,評估委員會給出的評價是:“清華大學要在國際上力爭達到頂級水準,必須有世界一流的計算機學科,并具有在該學科某些領域內成為國際領導者的抱負。”
這一年,計算機系教授吳建平剛擔任系主任,他也在思考:系里研究方向10多個,做什么的都有,但重點不突出,到底該在哪些方向領跑?
經(jīng)討論,系里公認:計算機系不做計算機不行,不做計算機系統(tǒng)不行。“這是建系之本”。
于是,傳統(tǒng)優(yōu)勢項目高性能計算機系統(tǒng)被高度關注,人工智能、下一代互聯(lián)網(wǎng)也被系里列為另兩個重點努力的目標。
但手頭沒有高性能計算機系統(tǒng)的大項目,讓不少教師信心不足。
大數(shù)據(jù)時代來臨,國之重器應運而生。2010年以來,“天河一號”“天河二號”“神威·太湖之光”等超級計算機的驚艷亮相,刷新著人們的想象力,也讓清華計算機系看到了機遇。
憑借多年積淀,計算機系主動出擊,開始運營當時全球運行速度最快的“神威·太湖之光”超級計算機。“通過合作,把我們的優(yōu)勢發(fā)揮出來。”吳建平說,“全球最快計算機你都不摸,你怎么去趕上別人?”
這算完成了第一步。緊接著,要在這個“大塊頭”上做通用應用軟件。
幾年不懈努力。2016年,依托“神威·太湖之光”超級計算機,以清華計算機系為中堅力量的研究團隊,完成了國際上首次用超過千萬核對氣候高速度、高精度的數(shù)值模擬,將戈登·貝爾獎收入囊中,實現(xiàn)該獎項29年來中國首次獲獎;2017年,清華計算機系又基于數(shù)據(jù)壓縮、異構任務劃分等一系列創(chuàng)新,在國際上首次實現(xiàn)對唐山大地震的高分辨率模擬,再次斬獲戈登·貝爾獎。
高性能計算機系統(tǒng)重回國際第一方陣,其他研究方向也開出絢爛之花。
“月明清影里,露冷綠樽前。賴有佳人意,依然似故年。”去年12月,一款名為“九歌”的寫詩機器人在電視節(jié)目中“機智過人”,憑借對30萬首詩歌的深度學習,通過兩輪人類測試,圈粉無數(shù)。而在另一檔益智問答節(jié)目中,名為“汪仔”的機器人也“碾壓”了多名選手。這些“黑科技”都與清華大學計算機系有著密切關聯(lián),而在人工智能領域,清華已深耕40載。
“改革開放初期,(我們)看了很多英文材料,發(fā)現(xiàn)所有美國大學計算機系都有人工智能方向,我們決定‘先結婚,后戀愛’。”中國科學院院士、清華大學人工智能研究院院長張鈸回憶說,之后,在上世紀80年代,清華計算機系成立了國內首個智能機器人實驗室,發(fā)表了國內第一篇人工智能領域論文,在國內首獲人工智能領域第一個國際重要獎項。上世紀90年代,又成立全國第一個與人工智能有關的國家重點實驗室——“智能技術與系統(tǒng)”國家重點實驗室。如今,清華人工智能的研究方向包括數(shù)據(jù)驅動與知識驅動相結合的深度學習,與腦科學結合的交叉學科的探索……
而歷經(jīng)10余年,下一代互聯(lián)網(wǎng)也取得了快速發(fā)展:從IPv4到IPv6,再到下一代更大規(guī)模、更快、更安全的互聯(lián)網(wǎng)平臺……
回望當初的“小目標”,吳建平有些“小自豪”:“方向完全正確,成果可圈可點。”
把握本源 鍛造好學生
在清華計算機系,如果要問教師“科研為什么會這么牛”,不少人回答:“學生牛。”
這里,會聚了來自全國各地的“學霸”,但有了好的原材料,如何加工出優(yōu)質的人才“產品”?身處人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、區(qū)塊鏈等新技術層出不窮的時代,又該培養(yǎng)怎樣的學科人才?
“既適應時代,又不能完全隨它跑。”吳建平說。在他看來,學生培養(yǎng)過程中,“計算機科學本質的東西必須牢牢掌握”,“知道以后,可以去適應各種新的思維,如果本質不知道的話,你連基本的判別能力都沒有”。
保證本源性的東西在培養(yǎng)體系里突出,是清華計算機系近年來本科生培養(yǎng)的著力點和焦點。
而往往,本源性的課程還包含著清華培養(yǎng)學生的一大傳統(tǒng)特點——強調動手能力。
“奮戰(zhàn)三星期,做臺計算機”,曾是清華大學生超算團隊冠軍成員,如今已讀研的王邈,一直對“計算機組成原理”課的課程實驗念念不忘,這也是近年來系里推動課程改革的得意之作。學生要在三星期里,做出計算機的中央處理器和部分外設,使之能夠運行操作系統(tǒng),實驗要綜合運用數(shù)字電路、軟件工程等多方面知識,頗具挑戰(zhàn)度,但可以“把計算機工作的本源搞清楚”。
這學期,吳建平又放出一個讓學生們壓力山大的“大招”:“網(wǎng)絡原理”課做路由器。一個月左右,完成路由器,并且全班聯(lián)成局域網(wǎng)。“不做路由器,根本不懂互聯(lián)網(wǎng)原理,就會被社會上五花八門的概念左右,學生就沒有定力,跟著時髦跑。”吳建平說。
重基礎、強實踐是計算機系人才培養(yǎng)的特色,而實踐的底色不只停留在第一課堂,也延伸到了課外。
超算比賽即是一例。參賽過程中,學生要經(jīng)歷從賽前挑選機器型號,到組裝、調試機器,再到賽場跑程序的全鏈條歷練,從中真正學會分析問題、系統(tǒng)完整地解決問題。
寫詩機器人“九歌”,是清華計算機系學生矣曉沅在讀研期間完成的科創(chuàng)項目。而事實上,早在大二下學期,他就有機會進入導師孫茂松教授的課題組,利用人工智能對詩人的用詞習慣等定量分析,完成了初版的集句詩系統(tǒng)。
在計算機系,大學生研究訓練計劃(SRT)、學術新星計劃等一系列活動的開展,都能讓學生盡早接觸到科研,培養(yǎng)學術志趣。
讀本科期間,如果學生能有高質量論文發(fā)表,還有機會出國參加“高大上”的國際學術會議,費用由學校統(tǒng)籌支出。國際交流上,清華計算機系還與美國斯坦福大學、麻省理工學院等世界一流高校建立學生深度交流項目,設立學生交流專項資金,有多種交流形式,每年出國訪問、短期交流和聯(lián)合培養(yǎng)的學生達300人次以上。
改革人事 激發(fā)教師內在力
無論是教學還是科研,教師都是關鍵。建設世界一流的大學與學科,更離不開一流師資。如何吸引大師來,又如何激發(fā)教師的內在動力?
“(評價體系)要和國際接軌。”吳建平說,教師隊伍要有具備國際視野和國際可比性的人才。
計算機系教授史元春曾在2000年左右到美國麻省理工學院做訪問學者,她發(fā)現(xiàn),國內外的教師體系有著很大不同,“在美國,大學叫學術共同體,非常清楚哪些人是學術的主導”。
參照國際慣例,2012年起,清華正式全面推進教師人事制度改革,按照“學校定邊界,院系定方案”的原則,2014年,計算機系的改革也正式啟動。
改革的重磅舉措,就是將教師分為三個系列:既精于國際前沿研究又能教學的教研系列;偏重于國內重大需求、應用工程,能帶團隊的研究系列;專職基礎教學的教學系列。
改革一鋪開,意味著全系100多名教師要“全部臥倒,重新排隊”。同時,對于新引進和晉升的教師,還將進行國際評估。
“國際評估一定是讓在國際排名前30名的學校擔任正教授的學者去評價候選人的情況,然后給他打分,他夠不夠資格,在同齡人里面屬于3%還是5%,在全球范圍屬于3%還是5%。如果進入你們的學校,夠不夠格。”吳建平說。
“把原有的體系打破,新造一個體系,代價是非常大的。”史元春說,“但對學校更進一步的發(fā)展是奠基性、制度性的保障,每個教師要知道自己做什么,什么是做一個好教師的標準,奮斗目標是什么。”
歷時兩年,清華計算機系完成了原有教師隊伍向新體系的過渡,2017年起開始正常進行新體系教師的職稱晉升和人才引進工作。
在孫茂松看來,制度是一方面,激發(fā)人才活力的,還有清華的文化和氛圍,“要么不做,要么就做第一”。
“大家都很優(yōu)秀,我壓力就很大,3個月不看新的東西,博士生說的東西我就聽不懂。”今年已經(jīng)83歲的張鈸院士笑著說,“在精英的集體中成長,迫使你必須變成精英。”
在清華讀完博士,在人工智能領域知名學府——美國卡內基·梅隆大學完成博士后研究工作后,2011年,朱軍選擇回清華任教。除了國內良好的發(fā)展態(tài)勢和環(huán)境之外,吸引他的還有導師張鈸團隊對科研規(guī)律的尊重、寬松自由的氛圍。“給你充分支持,讓你主動去探索。”朱軍說。
吳建平認為,計算機系的成長與發(fā)展同國家戰(zhàn)略、需求共振,與改革開放的大潮密不可分。而清華教師又有著較強的社會責任感和國家使命感,能設定更高目標,奮力往前沖。
在一些世界大學排名榜單中,清華計算機學科評估占據(jù)“C位”。而面向瞬息萬變、新技術快速迭代的未來,清華計算機系將繼續(xù)按照學校“十三五”學科建設規(guī)劃,實現(xiàn)到2020年,在世界各大學科排名中位居前20名左右的發(fā)展目標,產生若干具有國際重大影響的學術成果和解決國家重大戰(zhàn)略需求的科技成果。
做計算機學科的國際領跑者,清華穩(wěn)步前行。(杜瑋 董魯皖龍)
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